(57)【要約】  熱処理装置は、レーザを発振させるレーザ発振機１と、レーザ発振機１から発振されたレーザを被処理物５に照射させる１以上の光学系２と、被処理物５を搭載させる回転台３とを備え、レーザの１回の照射による被処理物５の活性化率が目標値に達する被処理物５の到達温度を第１の温度とすると、第１の温度よりも低い第２の温度を被処理物５の到達温度の目標値に設定し、光学系２から被処理物５に対してレーザの照射を２回以上繰り返し行う。
2017154597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを発振させるレーザ発振機と、
前記レーザ発振機から発振された前記レーザを被処理物に照射させる１以上の光学系と、
前記被処理物を搭載させる台と
を備え、
前記レーザの１回の照射による前記被処理物の活性化率が目標値に達する前記被処理物の到達温度を第１の温度とすると、前記第１の温度よりも低い第２の温度を前記被処理物の到達温度の目標値に設定し、前記光学系から前記被処理物に対して前記レーザの照射を２回以上繰り返し行う、
熱処理装置。
【請求項２】
前記台は、回転自在に設けられた回転台から構成され、前記回転台に前記被処理物を搭載させた状態で、前記回転台を回転させることにより、前記光学系からの前記被処理物に対する前記レーザの照射を繰り返し行うものであって、
前記光学系の前記レーザの照射位置と前記回転台の中心との距離が変化する場合に、各照射位置において前記回転台の周速度が一定になるように、前記距離の変化に応じて前記回転台の回転速度を制御する制御装置をさらに備えた、
請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記光学系を移動させる第１の駆動系をさらに備え、
前記第１の駆動系は、前記光学系による前記レーザの照射位置が、前記回転台の中心を中心とする同心円上に位置するように、全ての前記光学系を前記回転台の径方向に同距離だけ放射状に同時に移動させる、
請求項２に記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記被処理物を移動させる第２の駆動系をさらに備え、
前記第２の駆動系は、前記回転台に搭載された全ての前記被処理物を前記回転台の径方向に同距離だけ放射状に同時に移動させる、
請求項２に記載の熱処理装置。
【請求項５】
レーザを発振させるレーザ発振ステップと、
前記レーザ発振ステップにおいて発振された前記レーザを被処理物に照射させるレーザ照射ステップと
を備え、
前記レーザ照射ステップは、
前記レーザの１回の照射による前記被処理物の活性化率が目標値に達する前記被処理物の到達温度を第１の温度とすると、前記第１の温度よりも低い第２の温度を前記被処理物の到達温度の目標値に設定し、前記被処理物に対して前記レーザの照射を２回以上繰り返し行う、
熱処理方法。
【請求項６】
レーザの照射による温度上昇によって被処理物の表面近傍の特性を変えるレーザアニール処理を行うレーザアニール装置であって、
前記レーザを発振させるレーザ発振機と、
前記レーザ発振機から発振された前記レーザを被処理物に照射させる１以上の光学系と、
前記被処理物を搭載させる台と
を備え、
前記レーザの１回の照射による前記被処理物の活性化率が目標値に達する前記被処理物の到達温度を第１の温度とすると、前記第１の温度よりも低い第２の温度を前記被処理物の到達温度の目標値に設定し、前記光学系から前記被処理物に対して前記レーザの照射を２回以上繰り返し行う、
レーザアニール装置。
【請求項７】
繰り返し行われる前記レーザの前記照射は、同一出力および同一照射条件で行われる、
請求項６に記載のレーザアニール装置。
【請求項８】
各前記光学系は、同時に、前記レーザの照射を行うものであって、
各前記光学系は、隣接する他の光学系が照射する前記レーザによる熱影響を受けないように、照射する前記レーザのビーム径の１０倍以上の間隙を介してそれぞれ配置される、
請求項６または７に記載のレーザアニール装置。
【請求項９】
前記光学系から照射されるビーム出力を一定にし、且つ、前記光学系による全ての照射位置における前記レーザのパワー密度が一定になるように、前記光学系と前記被処理物との相対移動速度が一定になるように制御する制御装置をさらに備えた、
請求項６から８までのいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項１０】
レーザの照射による温度上昇によって被処理物の表面近傍の特性を変えるレーザアニール処理を行うレーザアニール方法であって、
レーザを発振させるレーザ発振ステップと、
前記レーザ発振ステップにおいて発振された前記レーザを被処理物に照射させるレーザ照射ステップと
を備え、
前記レーザ照射ステップは、
前記レーザの１回の照射による前記被処理物の活性化率が目標値に達する前記被処理物の到達温度を第１の温度とすると、前記第１の温度よりも低い第２の温度を前記被処理物の到達温度の目標値に設定し、前記被処理物に対して前記レーザの照射を２回以上繰り返し行う、
レーザアニール方法。
【請求項１１】
繰り返し行われる前記レーザの前記照射は、同一出力および同一照射条件で行われる、
請求項１０に記載のレーザアニール方法。
【請求項１２】
前記照射は、同時に、複数のレーザにより行うものであって、
各前記レーザは、隣接する他のレーザによる熱影響を受けないように、ビーム径の１０倍以上の間隙を介してそれぞれ配置される、
請求項１０または１１に記載のレーザアニール方法。
【請求項１３】
前記レーザのビーム出力を一定にし、且つ、前記レーザによる全ての照射位置における前記レーザのパワー密度が一定になるように、前記レーザと前記被処理物との相対移動速度が一定になるように制御する制御ステップをさらに備えた、
請求項１０から１２までのいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
【請求項１４】
前記レーザのビーム出力を一定にし、且つ、前記レーザによる全ての照射位置における前記レーザのパワー密度が一定になるように、前記レーザの集光径を制御する制御ステップをさらに備えた、
請求項１０から１２までのいずれか１項に記載の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、熱処理装置、熱処理方法、レーザアニール装置、および、レーザアニール方法に関し、特に、被処理物に対してレーザ照射することで熱処理を行う熱処理装置、熱処理方法、レーザアニール装置、および、レーザアニール方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程においては、半導体基板の所望の深さまでを熱処理する場合がある。例えば、特許文献１には、電力のスイッチングに用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造方法が開示されている。これによると、導電性のシリコン基板の表面に、ベース領域及びエミッタ領域等の拡散領域、エミッタ電極及びゲート電極等の電極、および、ゲート絶縁体及び層間絶縁膜等の絶縁膜が形成され、裏面にはフィールドストップ層及びコレクタ層等の拡散領域が形成される。ここで、裏面のフィールドストップ層及びコレクタ層においては、イオン注入等によって不純物原子がドープされ、ドープされた領域を一定温度以上に昇温する熱処理が必要である。【０００３】
しかし、基板の表面には、先述の拡散領域、電極、および、絶縁膜が形成されており、基板表面が昇温されると、その機能が失われる。このため、裏面の熱処理時に、熱伝導によって、その熱処理による温度上昇が表面まで伝わると、表面の機能が失われる。そのため、裏面の熱処理は局所加熱することが必要である。そこで、例えば、特許文献１および２では、レーザをシリコン表面に照射することで、表層のみを温度上昇させるレーザアニール法を用いることを提案している。しかし、ＩＧＢＴでは、裏面の拡散領域の厚みによってその特性が変わり、一般にはフィールドストップ層の厚みが大きいほど、耐圧特性が大きくなる。そこで、特許文献３では、レーザアニールにおいて、２つの波長の異なるレーザを用いることで、半導体基板を、所望の深さまで、所望の温度に、昇温させることができるとしている。しかし、近年は基板の薄板化がすすみ、レーザによる局所加熱でも基板表面が温度上昇してしまい、回路への熱ダメージが発生する。このためには、時間的に短時間の入熱が必要となり、前述の特許文献２では、テーブルを高速回転することで局所的かつ短時間入熱を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０５９８５６号公報
【特許文献２】特開２０１３−０７４２４６号公報
【特許文献３】特許第４１１７０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先述のとおり、ＩＧＢＴでは、フィールドストップ層の厚みが大きくなるほど、その特性が向上する。しかしながら、特許文献１，２に記載の装置で、裏面からレーザを照射すると、表層のみが昇温するため、一定の深さ以上の深い位置を昇温させることが難しいという課題があった。【０００６】
また、特許文献３のように、減衰長の大きい波長のレーザを使用すれば、レーザのエネルギーを内部に届けることができるため、ある程度の深さまで昇温することができる。しかし、照射面の表面でのエネルギーが最も大きいというレーザの特性上、表層の温度が最も高くなる。表面が融点に達すると、表面の結晶構造または形状が乱れるため、半導体としての電気特性が大きく変化し、半導体製品として使えなくなる。このため、たとえ減衰長の大きいレーザを使用したとしても、表面が融点に達するという条件に律束され、一定深さ以上の昇温を行うことができない。また、２つの波長の異なる光源が必要であり、装置が複雑になる。さらに、近年、１００μｍ以下といった更なる基板の薄板化によって、裏面にレーザ照射すると、基板の表側の温度も上昇してしまい、基板表側の回路または保護テープが損傷し、一定厚み以下の基板に対しては、レーザアニール処理ができないという課題があった。【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、被処理物の被照射面における熱ダメージを低減し、所望の深い領域まで活性化することが可能な、熱処理装置、熱処理方法、レーザアニール装置、および、レーザアニール方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、レーザを発振させるレーザ発振機と、前記レーザ発振機から発振された前記レーザを被処理物に照射させる１以上の光学系と、前記被処理物を搭載させる台とを備え、前記レーザの１回の照射による前記被処理物の活性化率が目標値に達する前記被処理物の到達温度を第１の温度とすると、前記第１の温度よりも低い第２の温度を前記被処理物の到達温度の目標値に設定し、前記光学系から前記被処理物に対して前記レーザの照射を２回以上繰り返し行う、熱処理装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、レーザの１回の照射による被処理物の活性化率が目標値に達する被処理物の到達温度を第１の温度とすると、第１の温度よりも低い第２の温度を被処理物の到達温度の目標値に設定して、被処理物に対してレーザの照射を２回以上繰り返し行うようにしたので、被処理物の被照射面における熱ダメージを低減し、且つ、被処理物の被照射面とは反対側の面の温度上昇を防止しながら、被処理物を所望の深い領域まで活性化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１，２に係る熱処理装置の構成を示した側面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態１，２に係る熱処理装置の構成を示した平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１，２に係る熱処理装置の熱処理による被処理物の深さごとの活性化率を示した説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１，２に係る熱処理装置の構成を示した部分拡大側面図である。
【図４】本発明の実施の形態１，２に係る熱処理方法の処理の流れを示したフローチャートである。
【図５Ａ】本発明の実施の形態３，４に係る熱処理装置の構成を示した側面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施の形態３，４に係る熱処理装置の構成を示した平面図である。
【図６】本発明の実施の形態５，６に係る熱処理装置の構成を示した平面図である。
【図７】本発明の実施の形態７に係る熱処理装置の構成を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。但し、各実施の形態の説明を行う前に、本発明の各実施の形態の概念について、まずはじめに説明する。
【００１２】
本発明の各実施の形態は、被処理物にダメージを与えることなく、被処理物の表面から所望の深さまでを所望の温度に上昇させ、被処理物を十分に活性化させるための熱処理装置および熱処理方法に関する。
【００１３】
本発明の各実施の形態においては、低温での加熱であっても、繰り返し加熱することで、十分な活性化が得られるという現象をこの度発見したことにより、その現象を利用し、従来行われてきたレーザアニールの設定温度よりも低い温度を目標値とし、当該目標値に到達するように、被処理物にレーザを繰り返し照射することで、被処理物の深い領域まで活性化するというものである。
【００１４】
本発明に係る以下の各実施の形態では、被処理物として半導体を想定して説明を行う。なお、被処理物の活性化とは、不純物を注入した被処理物である半導体を昇温させることで、不純物を、Ｐ型接合及びＮ型接合のように機能するようにさせる処理のことである。活性化の活性化率は、従来、被処理物の最高到達温度のみで決まるとされていたが、最高到達温度のみに依存せず、低温であっても、繰り返し昇温がおこると、被処理物が十分に活性化するという結果が今回得られた。
【００１５】
図２にその結果を示す。図２において、横軸は被処理物の表面からの深さを示し、縦軸は被処理物の活性化率を示している。図２に示されるように、１回目の照射では活性化率が７０％程度で、従来であれば、入熱不足ということでレーザ出力を上げるところである。しかしながら、この１回目と同じ出力および照射条件で２回目の照射を行うと、活性化率が９０％になり、３回目、４回目と繰り返すことで、十分な活性化率といえる９５％以上に到達した。つまり、１回の温度上昇よりも、低い温度上昇で繰り返し照射することで、十分な活性化を得られることができることが分かった。
【００１６】
すなわち、例えば、１回で十分な活性化がおこせる温度を１００とすると、理論上は７０の温度を４回繰り返すことで、十分な活性化を行えた。通常、シリコンウエハへのレーザアニールは、融点近くまで温度上昇させるため、溶融による、あるいは、熱応力による欠陥が発生するが、低温繰り返し照射では、そのような欠陥は発生しない。
【００１７】
また、深い位置まで活性化を起こすには、深い位置での温度上昇を大きくする必要があるため、一般的には、投入エネルギーを増やす必要がある。投入エネルギーを増加させると、当然、最表面の温度上昇が生じ、溶融が発生し、熱応力も大きくなる。また、近年、基板の薄板化が進んでいるが、基板が薄くなるほど、レーザ照射の反対側の温度上昇が大きくなり、熱ダメージ及び保護テープなどの周辺部品への熱ダメージにより、レーザアニール処理が難しくなっている。
【００１８】
しかしながら、本発明に係る以下に示す各実施の形態では、低温で繰り返し温度上昇をさせることで、被処理物を活性化できるので、被処理物の表面からの深さが深い位置でも、照射表面の温度を上昇させることなく、十分な活性化を行うことができる。そのことは、図２のグラフの結果に示されている。例えば、図２の深さＰの位置で見ると、１回の照射では、深さＰの位置での活性化率はかなり低いが、２回目以降は、活性化率が大幅に改善され、３回目、４回目と繰り返すことで、十分な活性化率が得られていることがわかる。本発明の以下に示す各実施の形態においては、このように、照射表面の溶融を抑え、発生する熱応力を小さくしながら、所望の深さまで所望の活性化率に到達させることができる。また、照射側とは反対側の面となる基板表面の回路の温度上昇も抑えられるため、薄板基板にも適用することができる。
【００１９】
このように、本発明に係る以下に示す各実施の形態に係る熱処理装置および熱処理方法は、低温で、レーザを繰り返し照射することで、被処理物にダメージを与えることなく、簡素な装置構成で、被処理物の深い領域まで活性化することが可能である。
【００２０】
実施の形態１．
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る熱処理装置の構成を示した構成図である。図１Ａは、熱処理装置の側面図であり、図１Ｂは、熱処理装置の平面図である。図２は、実施の形態１に係る熱処理装置によって得られた活性化率を示すグラフである。また、図３は、実施の形態１に係る熱処理装置の構成を示した部分拡大図である。
【００２１】
図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、本実施の形態に係る熱処理装置においては、１以上のレーザ発振機１が設けられている。図１Ａ及び図１Ｂでは、レーザ発振機１が２つ設けられているが、これに限定されるものではなく、レーザ発振機１は１つだけ設けてもよく、あるいは、３つ以上設けるようにしてもよい。レーザ発振機１は、被処理物に照射するためのレーザを発振する。レーザ発振機１には、ファイバーコア９を介して、１以上の光学系２が接続されている。レーザ発振機１が発振したレーザは、ファイバーコア９を介して、光学系２に伝送される。光学系２は、当該レーザを、被処理物５に対して照射する。光学系２は、図３に示されるように、コリメーションレンズ２ａと対物レンズ２ｂとによって構成されている。光学系２においては、コリメーションレンズ２ａと対物レンズ２ｂとによって、レーザを集光し、被処理物５に照射する。対物レンズ２ｂが、光学系２の照射口となっている。光学系２の照射口に対向して、回転台３が設置されている。回転台３上には、１以上の被処理物５が搭載される。回転台３は、主体３ａと支軸３ｂとから構成される。回転台３の主体３ａは、図１Ｂの平面図に示されるように、円板型の形状を有している。回転台３は、主体３ａと支軸３ｂとが一体化して固定されている。従って、支軸３ｂが中心３１を中心軸にして、矢印Ａ方向に回転することにより、主体３ａも、それに同期して、周方向に回転する。光学系２には、駆動系４が設けられている。駆動系４は、光学系２を、回転台３の径方向に、すなわち、半径線上に移動させる。具体的には、駆動系４は、光学系２を、回転台３の中心３１から外側に向かって移動させる、あるいは、外側から中心３１に向かって移動させる。また、駆動系４と回転台３とを駆動制御するための制御装置６が設けられている。また、レーザ発振機１の出力をモニタリングするための出力測定機７が設置されている。また、図３に示すように、光学系２から照射されるレーザのビーム形状をモニタリングするビーム形状測定機８が設けられている。
【００２２】
光学系２は、１つだけ設けられていてもよいが、効率良く、短時間で、複数の被処理物を加熱させるために、出来れば、２以上設けられることが望ましい。また、光学系２は、回転台３の１本の直径線上に、１対設けてもよいが、本実施の形態では、図１Ｂに示すように、垂直に交わる２本の直線上に、それぞれ、１対ずつ設けられている。すなわち、本実施の形態では、図１Ｂに示すように、４つの光学系２を、９０°ごとに、配置している。駆動系４は、光学系２ごとに設けられているため、本実施の形態では、図１Ｂに示すように、４つの駆動系４が９０°ごとに配置されている。このように、駆動系４を９０°ごとに配置することで、制御装置６における、光学系２の位置の演算が容易になり、精度よくレーザ走査機構を配置することができる。
【００２３】
被処理物５は、本実施の形態では、不純物が表面から数〜十数μｍにわたってイオン注入されたシリコンウエハを想定しているが、これに限定されるものではなく、シリコンウエハ以外の、例えばＴＦＴ等の他の被処理物への適用も可能である。また、熱処理としては、レーザアニール処理を想定しているが、これに限定されるものではなく、本実施の形態は、レーザを用いた熱処理全般に適用可能である。なお、レーザアニール処理とは、熱によって被処理物の結晶配列を変えることで被処理物の所望の特性を得るための熱処理のことである。
【００２４】
レーザ発振機１は、本実施の形態では、ファイバー伝送型のＬＤレーザ（レーザダイオード（laser diode）：ＬＤ）を用いることを想定している。ファイバー伝送型のＬＤレーザを用いることで、光学系２を簡素にすることができる。また、光学系２とレーザ発振機１とが、柔軟性のあるファイバーコア９で接続されているため、光学系２とレーザ発振機１との相対的な位置関係の自由度があり、光学系２の位置を自由に設定でき、且つ、光学系２の駆動も容易になる。このように、本実施の形態では、レーザ発振機１からのレーザがファイバーコア９によって光学系２に伝送され、光学系２を構成するコリメーションレンズ２ａと対物レンズ２ｂによって当該レーザが集光され、被処理物５に照射される機構を採用している。
【００２５】
つづいて、本実施の形態に係る熱処理方法について説明する。本実施の形態においては、レーザは、被処理物５に対し、単位時間あたり且つ単位体積あたりの入熱量であるパワー密度（Ｗ／ｃｍ2）を、走査速度で除した値が、照射される。ここでは、レーザ発振機１からのレーザの出力Ｗを、レーザの照射面積Ｓで除して、さらに、走査速度Ｖで除した値、すなわち、Ｗ／（Ｓ×Ｖ）が、被処理物５の全面で一定となるように照射する。
なお、本実施の形態においては、レーザの１回の照射による被処理物の活性化率が目標値である９０％または９５％に達する被処理物５の到達温度を１００とすると、１００よりも低い、例えば７０を、被処理物の到達温度の目標値に設定して、被処理物５へのレーザ照射を２回以上繰り返す。繰り返し回数は、任意に設定してよいが、図２の結果を参考にすれば、２回以上４回以下が望ましいと言える。また、この「７０」という値も一例にすぎず、６０〜８０程度が望ましい。このように、到達温度の目標値を低い温度に設定して、当該目標値に被処理物の温度が到達するように、レーザのパワー密度を設定して、レーザの照射を繰り返し行うことで、目標とする活性化率を得る。
【００２６】
本実施の形態においては、図１Ｂに示すように、回転台３に被処理物５を搭載した状態で、回転台３を回転させ、光学系２より、レーザを照射する。こうして、回転台３が一回点することにより、被処理物５の被照射面において、レーザのビーム径を幅とする帯状の領域を、回転台３の周方向に沿って、熱処理することができる。こうして、レーザを照射しながら、１回転させた後、光学系２を、駆動系４により、ビーム径の幅ずつ、回転台３の径方向に移動させる処理を繰り返すことにより、各被処理物５の全面を熱処理することができる。なお、ここでは、１回転ごとに、光学系２を移動させると説明したが、１回転ごとに限定する必要はなく、例えば、２回転ごとというように、予め設定された回数だけ回転するごとに、光学系２を移動させるようにしてもよい。
【００２７】
このとき、回転台３の回転速度が一定であれば、被処理物５の周速度は、半径に比例するため、レーザの照射位置が回転中心に近づくほど、周速度が低下するので、レーザの出力を小さくする必要がある。また、レーザの出力が一定であれば、照射位置が中心に近づくほど、回転速度を上げる必要がある。一般的には、レーザの出力は応答性が良くないため、最適な実施形態としては、レーザの出力を一定にし、レーザの照射位置に応じて、すなわち、光学系２の位置に応じて、回転速度を変化させることで、光学系２と被処理物５との相対移動速度は常に一定となり、照射位置に対するパワー密度を一定にできる。具体的には、光学系２の位置が中心３１に近づくほど、回転速度を高くする。
【００２８】
本実施の形態では、制御装置６が、光学系２の照射位置を駆動系４の現在位置から読みとり、周速度と回転速度との関係が、周速度ｖ、半径ｒ、及び、回転速度ｗとすると、ｖ＝２πｒｗの関係にあることから、当該関係に基づいて、制御装置６によって、所望の周速度の目標値となるように、回転台３の回転速度をコントロールする。これにより、被処理物５の全照射位置において同一の温度上昇が得られる。
【００２９】
ここで、レーザの走査速度が高速であるほど、熱影響部分が小さくなるため、レーザ照射の反対面における上昇温度が小さくなる。また、ビーム径を小さくすれば、最高到達温度が同じでも、総入熱量は小さくできるので、これもまたレーザ照射の反対面における上昇温度を小さくできる。このため、走査速度が速く、ビーム径が小さい方が、被処理物５への熱的ダメージを低減でき、薄い被処理物にも適用することができる。走査速度の高速化には、本実施の形態のように、複数の被処理物５を一つの回転台３に搭載し、回転させることが、走査速度を上げる上で合理的である。仮に、１枚の被処理物５を回転させると中心３１近傍では、非常に周速度が遅くなる。また、被処理物５を、回転させずに、相対的に直線移動させてもよいが、直線移動させたとすると、当然往復しなければならず、折り返し動作が発生する。高速化するほど、折り返し時の慣性力が大きく、停止時間および加速時間がかかるため、処理の効率が落ちる。従って、被処理物５を直線移動させるよりも、本実施の形態で示すように、回転させる方が、処理の効率を上げることができる。しかしながら、本実施の形態は、被処理物５を回転させることに限定されるものではなく、直線移動させる構成にも適用可能であることは言うまでもない。なお、直線移動させる場合においても、すべての照射位置で同一のパワー密度が得られるように、すべての照射位置でのビーム走査速度が一定となるように、光学系２と被処理物５との相対移動速度の制御は行う。
【００３０】
ここでは、周速度は１００〜８００ｍ／ｍｉｎ、ビーム出力は１０Ｗ〜８０Ｗ、ビーム径はφ５０μｍ〜３００μｍ程度が適当である。また、回転台３に乗せる被処理物５の個数は多いほど、一度に処理できる数が増え、効率がよくなるが、回転台３の半径が大きくなり、遠心力が増し、振動及び剛性に問題が生じる。このため、上記の周速度を得るには、５枚から９枚ほどの被処理物５を載せることが適当である。
【００３１】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、複数のレーザ発振機１と複数の光学系２とを、１つの回転台３に対して取り付け、複数のレーザを同時に照射させる。このとき、前述のとおり、単位時間当たり、単位体積当たりの入熱量（Ｗ／ｃｍ２）を周速度で除した値を一定にする必要がある。なお、このときの周速度が、レーザの走査速度となる。そのため、複数の光学系２から照射されるレーザの出力は全て均一にし、複数の光学系２からの照射位置についても中心３１からの距離が全て等しくなるように設定する。そこで、レーザの出力は、全てのレーザ発振機１を出力測定機７によってモニタリングし、調整する。また、光学系２から照射されるビーム径も一定にするため、図３に示すように、ビーム形状測定機８を取り付け、レーザのビーム形状をモニタリングする。これは処理中に、ビームスプリッタ―などを用いて一部のビームを取り出し、モニタリングすることもできるが、通常は急激には変化しないため、図３のように、被処理物５から離れたところに設置し、処理前にビーム形状を確認する。
【００３２】
照射位置は、全ての光学系２からのレーザの照射位置の径方向の中心３１からの距離を等しくするために、光学系２を駆動させる駆動系４は、図１Ｂに示すように、中心３１から放射状に配置し、すべての光学系２が放射状に位置するようにする。すなわち、すべての光学系２は、中心３１を中心とする同心円上に、配置されている。そして、制御装置６によって、全ての光学系２の照射位置と中心３１との距離が等しくなるように、駆動系４を制御して、全ての光学系２を同距離だけ放射状に同時に移動させる。すなわち、例えば、４つの光学系２の初期位置が、最も外側にあったとすると、回転台３が１回転するごとに、４つの光学系２が、同じ距離ずつ、徐々に、中心３１に向かって移動する。こうすることで、複数の被処理物５の全面に対して、均一の量だけ、レーザを照射することができる。なお、初期位置を機械的に決め、移動速度を一定にする、あるいは、中心３１からの距離が一定となるような、機械式の駆動機構を、駆動系４の代わりに、用いてもよい。その場合、制御装置６による制御は不要となる。
【００３３】
以上により、被処理物５の全照射位置においてパワー密度が同一となり、被処理物５の全面において、同一の繰り返し温度上昇が得られる。このとき、隣接する光学系２からの温度場の影響が心配されるが、半導体材料は基本的に熱伝導率が高く、瞬時に熱が拡散するため、光学系２同士が、互いに、ビーム径の１０〜２０倍離れれば、熱が拡散し、隣接するレーザによる温度場の影響を受けない。例えば、ここでは、１００μｍのビーム径であったとすると、２ｍｍ程度離れればよいため、複数のレーザを配置する際に、光学系２の相互間の距離が最短でも２ｍｍ以上になっていればよい。これにより、被処理物５の任意の個所に対して照射される複数のレーザビームが互いに完全に独立となり、１サイクルの処理で、同一な温度上昇を、光学系２の個数だけ与えることができる。
【００３４】
なお、ここでは温度場として完全に独立した複数レーザの照射としているが、繰り返しの温度上昇とは、１つのレーザの走査によって生じるピーク温度が一旦下がり、再び上昇することであり、その一旦下がる下がり幅はいくらでもよい。このため、複数のレーザの照射位置を上記のビーム径の１０〜２０倍よりも接近させ、相互の温度場の影響が多少生じてもよい。
【００３５】
次に、本実施の形態に係る熱処理方法の動作フローを図４に示す。
図４に示すように、図４の動作フローが始まると、まずはじめに、制御装置６の制御により、回転台３の回転が始まる（ステップＳ１）。
回転台３の回転速度が予め設定された目標値に達した時点で、制御装置６の制御により、駆動系４が光学系２の駆動動作を始めて、光学系２を初期位置まで移動させ（ステップＳ２）、それと同時に、光学系２の照射位置における周速度が一定となるように、制御装置６の制御により、回転台３の回転速度の制御が始まる（ステップＳ３）。
このとき、回転台３の回転速度と光学系２の駆動位置の制御については、各照射位置における周速度が一定となるように、相互を常にフィードバックしながら行う。このように、一定速度となるようにフィード制御をおこなってもよいし、予め走査軌跡が決まっているので、その各軌跡の位置における周速度が一定となる回転速度と駆動位置も一意に求まるので、フィードフォワード制御としてもよい。
この速度一定動作が始まってから、あるいは、それと同時に、レーザ発振機１からのレーザがＯＮされ、被処理物５に対して照射される（ステップＳ４）。このとき、同一出力でレーザを照射させながら、ステップＳ２，Ｓ３と同様に、駆動系４の駆動動作および回転台３の回転動作が制御される（ステップＳ５，Ｓ６）。これにより、各照射位置における周速度が一定となり、各照射位置におけるレーザのパワー密度が一定となる。当該照射条件において、２回以上のレーザ照射を繰り返し行う。
こうして、被処理物５に対して、予め設定された照射面積を光学系２が走査し終わった後、制御装置６が、レーザをＯＦＦし（ステップＳ７）、駆動系４を停止させるとともに回転台３を停止させて（ステップＳ８）、図４の動作フローの処理が終了する。
【００３６】
以上のように、本実施の形態では、レーザを発振させるレーザ発振機１と、レーザ発振機１から発振されたレーザを被処理物５に照射させる１以上の光学系２と、被処理物５を搭載させる台３とを備え、レーザの１回の照射による被処理物５の活性化率が目標値に達する被処理物５の到達温度を第１の温度とすると、第１の温度よりも低い第２の温度を被処理物の到達温度の目標値に設定し、光学系２から被処理物５に対してレーザの照射を２回以上繰り返し行うようにした。具体的には、レーザ出力を一定とし、全てのレーザが同心円上に位置するように、駆動系４により、全ての光学系２を同時に外側から回転台３の中心３１に向かって徐々に移動させ、あるいはその逆に移動させ、且つ、照射位置における周速度が一定となるように、すなわち、全ての照射位置におけるビーム走査速度が一定になるように、照射位置に応じて回転台３の回転速度を制御しながら、被処理物５に繰り返し同一の温度プロファイルを与えるようにした。これにより、被処理物５にダメージを与えることなく、低温で、高品質で、高効率、さらに、被処理物５の深い位置までの熱処理を行うことができる。
【００３７】
実施の形態２．
上述した実施の形態１の構成において、レーザ発振機１は、公知のレーザであれば、ファイバー伝送型のＬＤレーザでなくともよい。すなわち、レーザ発振機１として、固体レーザ、気体レーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザのいずれを用いるようにしてもよい。ただし、ファイバー伝送型でない場合は、各々適正な光学系２が必要である。また、発振方式も、連続発振型レーザ、パルス発振型レーザを問わず、いずれのものも適用可能である。この場合、レーザ発振機１から照射位置までの距離で光路が変わらないため、光学系２の構成が、実施の形態１に比較すると、簡素になる。
【００３８】
実施の形態３．
上述した実施の形態１においては、駆動系４が光学系２に対して設けられていたが、被処理物５に対して駆動系が設けられていてもよい。すなわち、本実施の形態２においては、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、被処理物５に対して、駆動系４１が設けられている。なお、図５Ａは、本実施の形態に係る熱処理装置の側面図であり、図５Ｂは、熱処理装置の平面図である。駆動系４１は、長手方向が回転台３の半径線上に沿うように、径方向に、設けられている。駆動系４１は、被処理物５を、回転台３の径方向に、回転台３の中心３１から外側へ向かって移動、あるいは、外側から中心３１へ向かって移動させる。このとき、光学系２の位置は固定である。このように、本実施の形態においては、固定された光学系２に対して、駆動系４１により被処理物５の位置を移動させることで、被処理物５の全面において、同一の繰り返し温度上昇が得られる。
【００３９】
他の構成および動作は、上述した実施の形態１と同じであるため、ここでは、その説明は省略する。
【００４０】
以上のように、本実施の形態においては、駆動系４１を被処理物５に設ける構成としたが、光学系２と被処理物５との相対位置関係は、実施の形態１と同様に変化させることができるため、結果として、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、レーザ出力を一定とし、全てのレーザが同心円上に位置するように、駆動系４１により被処理物５を同時に外側から回転台３の中心３１に向かって徐々に移動させ、あるいは、その逆に移動させ、被処理物５に繰り返し同一の温度プロファイルを与えることで、低温で、高品質で、高効率、さらに、深い位置までの熱処理を行うことができる。
【００４１】
なお、このとき、光学系２が固定であるため、その照射位置も同じであり、その結果、照射位置における周速度が一定となるので、照射位置に応じた回転台３の回転速度の制御は不要である。
また、光学系２から照射させるレーザが多数必要で、被処理物５の個数が少ない場合は、本実施の形態２の構成の方が簡素である。また、光学系２の構成が複雑で、光学系２が移動することによる微妙な光学系２のズレによってレーザの強度分布であるビームプロファイルが変化するのを避けるのにも、本実施の形態２の構成が有効である。
【００４２】
実施の形態４．
上述した実施の形態３の構成において、レーザ発振機１は、公知のレーザであれば、ファイバー伝送型のＬＤレーザでなくともよい。すなわち、レーザ発振機１として、固体レーザ、気体レーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザのいずれを用いるようにしてもよい。ただし、ファイバー伝送型でない場合は、各々適正な光学系２が必要である。また、発振方式も、連続発振型レーザ、パルス発振型レーザを問わず、いずれのものも適用可能である。この場合、レーザ発振機１から照射位置までの距離で光路が変わらないため、光学系２の構成が、実施の形態３に比較すると、簡素になる。
【００４３】
実施の形態５．
上述した実施の形態１の構成においては、光学系２が、半径線上に移動する１軸の移動機構であったが、本実施の形態においては、図６に示すように、２軸移動できる独立型の駆動系９１および９２が、それぞれ、光学系２１，２２に設けられている。なお、本実施の形態では、図の簡略化のため、２つの光学系しか図示してないが、２つ以上でもよい。
【００４４】
他の構成および動作は、上述した実施の形態１と同じであるため、ここでは、その説明は省略する。
【００４５】
光学系２１，２２は、初期位置として、回転台３の中心３１からの距離が等しくなるよう配置されているが、処理中のレーザ走査では、駆動系９１により、各々の光学系２１，２２が独立して中心３１と結んだ半径線上をレーザの照射位置が通るように動く。これにより、レーザを回転台３の一部に集めることができるようになり、熱処理装置のメンテナンス性が容易に、また装置面積を縮小できる。
【００４６】
また、上述した実施の形態１では、光学系２が９０°ごとに配置されていたが、本実施の形態では、光学系２の配置間隔は任意の角度でよい。さらに、本実施の形態では、駆動系９１および９２が、光学系２を、径方向だけでなく、周方向へも移動可能とし、図４の動作フローのステップＳ１よりも前の段階で、光学系２の周方向の移動を行い、光学系２の周方向の初期位置を変更できるようにしてもよい。
【００４７】
実施の形態６．
上述した実施の形態５の構成において、レーザ発振機１は、公知のレーザであれば、ファイバー伝送型のＬＤレーザでなくともよい。すなわち、レーザ発振機１として、固体レーザ、気体レーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザのいずれを用いるようにしてもよい。ただし、ファイバー伝送型でない場合は、各々適正な光学系２が必要である。また、発振方式も、連続発振型レーザ、パルス発振型レーザを問わず、いずれのものも適用可能である。この場合、レーザ発振機１から照射位置までの距離で光路が変わらないため、光学系２の構成が、実施の形態５に比較すると、簡素になる。
【００４８】
実施の形態７．
図２に示すように、繰り返しレーザを照射することで活性化率が上昇したが、活性化率は繰り返し照射するほど、その改善率が小さくなり、いずれ、改善率の上昇分が縮小、いわゆるサチュレイトする。また、活性化率は一定以上の割合でよく、具体的には、例えば９０％以上でよいため、厳密には完全に同じ温度上昇を繰り返し与えなくてもよく、多少の温度上昇ムラがあっても目的とする特性が得られるアニール処理をはじめとする各種熱処理を行うことができる。
【００４９】
そこで、実施の形態１あるいは３の構成において、複数の光学系２を、図７に示すように、全て、１つの駆動系９３にまとめて搭載し、駆動系９３を搭載した駆動系４２によって、光学系２を移動させる構成でもよい。駆動系９３は、すべての光学系２を搭載できるような矩形の板状の部材で、駆動系４２は、図１Ａおよび図１Ｂに示した駆動系４に相当する角棒状の細長い部材から構成されている。駆動系９３における各光学系２の配置は自由だが、照射位置における周速度の相対差が３０％以下になる位置関係、つまり、回転台３の中心３１からの距離がどの照射位置においても３０％以下になる位置関係に、各光学系２を配置する。例えば複数配置した光学系２のうち、回転台３の中心３１側の照射位置１０−１における周速度と、それより外側の照射位置１０−２における周速度とは、それぞれの回転半径、すなわち、中心３１から照射位置の中心までの距離をｒ１，ｒ２とすると、｜（ｒ１−ｒ２）／ｒ１｜×１００％の誤差がある。これが、さらに中心３１側に進み、最も中心３１側に近い位置に来たときは、誤差が最大値となる。つまり、駆動系４２が最内径の状態の照射位置を１０−１’，１０−２’とし、その照射位置における回転半径をｒ１’，ｒ２’とすると、ｒ１−ｒ１’＝ｒ２−ｒ２’が成り立ち、｜（ｒ１’−ｒ２’）／ｒ１’｜×１００％の誤差が、本実施の形態における最大速度誤差であり、これが３０％以下になるように配置する。
【００５０】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、レーザ出力を一定とし、全てのレーザが同心円上に位置するように、駆動系４により、全ての光学系２を同時に外側から回転台３の中心３１に向かって徐々に移動させ、あるいはその逆に移動させ、且つ、照射位置における周速度が一定となるように、すなわち、全ての照射位置におけるビーム走査速度が一定になるように、照射位置に応じて回転台３の回転速度を制御しながら、被処理物５に繰り返し同一の温度プロファイルを与えることで、被処理物５にダメージを与えることなく、低温で、高品質で、高効率、さらに、被処理物５の深い位置までの熱処理を行うことができる。
【００５１】
実施の形態８．
本実施の形態においては、上述した実施の形態１〜７の構成において、照射位置毎にその瞬間における走査速度を算出し、単位体積あたりの入熱量であるパワー密度（Ｗ／ｃｍ2）を走査速度で除した値が一定になるように、レーザ発振機１の出力を各々調整する。
【００５２】
なお、他の構成および動作は、上述した実施の形態１と同じである。すなわち、上述した各実施の形態と同様に、光学系２と被処理物５とを相対的に移動させ、１度の処理で繰り返し温度上昇を与えることができるような構成は全て含む。
【００５３】
以上により、本実施の形態においても、上述した実施の形態１〜７と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
上述した各実施の形態に係る熱処理装置は、レーザ照射による熱処理であれば、被処理物の加熱など、熱処理全般に適用可能である。また、上述した各実施の形態に係る熱処理装置を、レーザアニール処理に用いて、レーザアニール装置として用いるようにしてもよい。
【００５５】
実施の形態９．
本実施の形態においては、上述した実施の形態１〜８の構成において、照射位置毎にその瞬間における走査速度を算出し、単位体積あたりの入熱量であるパワー密度（Ｗ／ｃｍ2）を走査速度で除した値が一定になるように、光学系２，２１，２２のコリメーションレンズ２ａもしくは対物レンズ２ｂの位置を調整し、ビーム径、すなわち、レーザの集光径を各々調整する。
【００５６】
なお、他の構成および動作は、上述した実施の形態１と同じである。すなわち、上述した各実施の形態と同様に、光学系２と被処理物５とを相対的に移動させ、１度の処理で繰り返し温度上昇を与えることができるような構成は全て含む。
【００５７】
以上により、本実施の形態においても、上述した実施の形態１〜７と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
上述した各実施の形態に係る熱処理装置は、レーザ照射による熱処理であれば、被処理物の加熱など、熱処理全般に適用可能である。また、上述した各実施の形態に係る熱処理装置を、レーザアニール処理に用いて、レーザアニール装置として用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１  レーザ発振機、２，２１，２２  光学系、２ａ  コリメーションレンズ、２ｂ  対物レンズ、３  回転台、３ａ  主体、３ｂ  支軸、４，４１，９１，９２，９３  駆動系、５  被処理物、６  制御装置、７  出力測定機、８  ビーム形状測定機、３１  中心。
【図１Ａ】
2017154597.tif 000003
【図１Ｂ】
2017154597.tif 000004
【図２】
2017154597.tif 000005
【図３】
2017154597.tif 000006
【図４】
2017154597.tif 000007
【図５Ａ】
2017154597.tif 000008
【図５Ｂ】
2017154597.tif 000009
【図６】
2017154597.tif 000010
【図７】
2017154597.tif 000011
【国際調査報告】
2017154597.tif 000012
2017154597.tif 000013
2017154597.tif 000014
2017154597.tif 000015