(57)【要約】【課題】小さな照射エネルギー量でアニール処理することができ、かつ、短時間でアニール処理が可能なレーザーアニール装置を提供すること。【解決手段】Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器１０から取り出されたレーザーパルスは、ビーム径を拡大しながらＮｄ：ガラスレーザー３０，４０，５０，６０で順次増幅される。Ｎｄ：ガラスレーザー６０から出射するレーザービームは、高調波変換非線形結晶７０で、例えば波長５３２ｎｍのＰ偏光に変換され、回折型ビーム成形光学素子８０で空間強度分布が均一化され、ビーム形状が例えば楕円形状に成形される。ダイクロイックミラー８１は、波長５３２ｎｍのレーザービームのみを反射し、このレーザービームは、ミラー８２を介して凹レンズ８３に入射してビーム径が拡大され、例えば７６．５°の角度に傾けて配置された載置台９０上に載せられた被照射物（ウエハＷ）に一括照射される。【選択図】    図1
2011071261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含む被照射物を載置する載置台と、この載置台に向かって光を照射する光源と、を備えたレーザーアニール装置において、
該光源がＮｄ：ガラスレーザーを備え、該Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの少なくとも一部を高調波変換された偏光光に変換する高調波変換非線形結晶と、該偏光光を含むビームの空間強度分布を均一化する回折型ビーム成形光学素子を設け、
該均一化されたビームを、斜めに入射させるように該載置台を設けた
ことを特徴とするレーザーアニール装置。
【請求項２】
上記回折型ビーム成形光学素子が、高調波変換された偏光光のビームの形状を楕円形状にする
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザーアニール装置。
【請求項３】
上記高調波変換非線形結晶は、上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの少なくとも一部を高調波変換されたＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶と、該高調波変換非線形結晶の出力光をＳ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶とから構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザーアニール装置。
【請求項４】
上記高調波変換非線形結晶は、上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの少なくとも一部を高調波変換されたＳ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶と、このＳ偏光光をＰ偏光光に変換する複屈折素子と、残った基本波光の一部をＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶とから構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザーアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスレーザーを用いてシリコンウエハなどの加熱処理（アニール処理）を行なうレーザーアニール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウエハ表面に浅い拡散層（ｐｎ接合）を形成（イオン注入した不純物活性化）する工程において、フラッシュランプを用いた光照射装置が使用されていた。特許文献１には、フラッシュランプを用いた光照射装置について記載されている。
特許文献１に記載される光照射装置では、シリコンウエハに、フラッシュランプからの光を照射することで、シリコンウエハは加熱処理（アニール処理）がなされる。特許文献１には、シリコンウエハを処理するために、フラッシュランプが照射エネルギー６５ｋＷ／ｃｍ2 以上で点灯されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２７３５９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シリコンウエハをアニール処理するために用いられるフラッシュランプを用いた光照射装置の照射エネルギー量（６５ｋＷ／ｃｍ2 以上）は、近時の省エネ要望からみて、とても大きいものであった。
そこで、シリコンウエハのアニール処理に、フラッシュランプに比べて小さなエネルギー量でアニール処理が可能なＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いることが考えられる。しかし、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、ビーム径がシリコンウエハの照射面に対して極端に小さいので、シリコンウエハ上でビームをスキャンさせる必要があり、アニール処理に時間がかかってしまうという問題がある。
以上のように、フラッシュランプを用いる場合には、大きな照射エネルギーが必要であり、また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを用いる場合には、アニール処理に多くの時間を要するといった問題があった。
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、小さな照射エネルギー量でアニール処理することができ、かつ、短時間でアニール処理が可能なレーザーアニール装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明においては、上記課題を次のように解決する。
（１）シリコンを含む被照射物を載置する載置台と、この載置台に向かって光を照射する光源とを備えたレーザーアニール装置において、該光源はＮｄ：ガラスレーザーを備える。
上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの少なくとも一部は、高調波変換非線形結晶により波長が半分の偏光したレーザー光に変換され、回折型ビーム成形光学素子により該偏光したレーザービームの空間強度分布が均一化される。そして、均一化されたビームを、被照射物が載置された載置台に斜めに入射させる。
上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのレーザービームが波長変換された後に、光学系によりレーザーのビーム径が拡大され、被照射物に対してレーザービームが一括照射され、被照射物のアニール処理が行なわれる。
（２）上記（１）において、回折型ビーム成形光学素子が、偏光したビームの形状を楕円形状にする。そして、該楕円の短径を含みビームの進行方向と平行な平面に直交し、かつ、ビームの進行方向に対して斜めになるように載置台の被照射面を配置し、該載置台上におかれた被照射物にレーザービームを照射する。
すなわち、ビームの形状を楕円形状とし、レーザービームの進行方向に対して照射面が斜めになるように配置された載置台にレーザービームが入射したとき、該レーザービームの照射領域が、載置台上におかれた被照射物と同様な形状（たとえば円形）になるようにし、被照射物からはみ出すレーザービームを少なくし、効果的にレーザービームが照射されるようにする。
（３）上記（１）（２）において、上記高調波変換非線形結晶を、上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの少なくとも一部を二倍波のＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶と、高調波変換されずに残ったＮｄ：ガラスレーザー光の一部をさらに二倍波のＳ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶とから構成する。
（４）上記（１）（２）において、上記高調波変換非線形結晶を、上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの少なくとも一部を二倍波のＳ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶と、このＳ偏光光をＰ偏光光に変換する複屈折素子と、該Ｎｄ：ガラスレーザーの波長変換できずに残ったレーザー光の一部を二倍波のＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶とから構成する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）レーザー装置を用いているので、フラッシュランプよりパルス幅を短くすることができ、小さな照射エネルギーでアニール処理が可能になる。
特に、Ｎｄ：ガラスレーザーを用いてビーム径を大きくしているので、被照射物にレーザービームを一括照射し、アニール処理をすることができる。このため短時間で処理が可能となる。
（２）レーザーの出力を高調波変換非線形結晶によって偏光光に変換し、被照射物に対して斜めに入射させているので、偏光光におけるＰ偏光とＳ偏光の比を適切に設定することにより、被照射物の照射面で反射されるビーム強度を小さくすることができる。
これにより、被照射物へ吸収されるビームのエネルギー量を大きくすることができ、エネルギー効率を高くすることができる。この吸収が大きくできるため、照射されるエネルギー量を小さくでき、短時間の照射で処理することができる。
（３）回折型ビーム成形光学素子により、ビームの強度分布を均一にしており、被照射物の照射面を均一に加熱することができる。このため、拡散層の形成も照射面の位置によって不均一になってしまうことがなく、所望の拡散層を形成することができる。
（４）回折型ビーム成形光学素子でビーム形状を楕円形状にすることで、ビームの進行方向に対して被照射物が斜めに配置されている場合、被照射物の照射面上で、照射領域を楕円形状の短径が伸びた略円状にすることができる。これにより、円板状の被照射物からはみ出るビームの量を少なくすることができ、照射エネルギーを抑制できる。
（５）上記高調波変換非線形結晶を、上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの一部を二倍波のＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶と、変換できずに残ったＮｄ：ガラスレーザーの一部をさらにもうひとつの非線形結晶にて二倍波のＳ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶とから構成したり、上記Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームの少なくとも一部をＳ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶と、このＳ偏光光をＰ偏光光に変換する複屈折素子と、変換できずに残ったＮｄ：ガラスレーザの一部をさらにもうひとつの非線形結晶にて二倍波のＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶とから構成し、Ｐ偏光光とＳ偏光光の混合比を適切な値とすることで、レーザーからのビームを被照射物の加熱に効果的に貢献できる光に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施例のレーザーアニール装置の構成を示す図である。
【図２】本発明におけるレーザビームに対する載置台の配置例を示す図である。
【図３】レーザービームを円形と楕円形にした場合における被照射物上での照射領域を示す図である。
【図４】シリコン（Ｓｉ）における各波長の光の吸収率を示す図である。
【図５】Ｓ偏光とＰ偏光に対するシリコン単結晶の反射率を示す図である。
【図６】シリコンウエハの表面を活性化する際に必要なエネルギー密度を示す図である。
【図７】本発明の照射エネルギー密度の小さなレーザーアニール装置を用いて、シリコンウエハを処理したときの結果を示す図である。
【図８】ビームを平行光にする凸レンズを設けた場合の構成を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施例の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第３の実施例の構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の第４の実施例を示す図（１）である。
【図１２】本発明の第４の実施例を示す図（２）である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は本発明の第１の実施例のレーザーアニール装置の構成を示す図である。
図１は本実施例のレーザーアニール装置の模式図であり、同図（ａ）はＮｄ：ガラスレーザー装置１００の構成図、同図（ｂ）はＮｄ：ガラスレーザー装置１００の出射光を波長変換して被照射物に照射する部分の構成図であり、同図（ａ）でＡで示したレーザービームが同図（ｂ）のＡで示すレーザービームに対応する。なお、図１は同図中のＸＹＺ軸で示すように、Ｚ方向から見た図を示している。
図１において、１０は図示しないフラッシュランプの励起光により励起されるφ６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器、１１は部分反射ミラー、１２は全反射ミラー、１３はＥＯスイッチであり光路を開閉するＱスイッチとして機能する。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器１０はフラッシュランプの励起光により励起されるが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器１０の内側に設けられたＥＯスイッチ１３は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器１０の励起エネルギーが貯まるまで閉じた状態である。
励起エネルギーが貯まると、ＥＯスイッチ１３を開け、共振ミラーである全反射ミラー１２と部分反射ミラー１１との間で共振を開始させ、ビームエネルギーを増幅する。このレーザービームの発振周期は、例えば１秒間に１０パルス（１０ＰＰＳ）である。
出射したレーザー光は凸レンズと凹レンズの組み合わせによるビーム拡大器１４によりビーム径がＮｄ：ＹＡＧレーザー２０のロッド径に合わせて拡大されてＮｄ：ＹＡＧレーザ２０に入射する。
２０は図示しないフラッシュランプにより励起されるφ９ｍｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー、２１は光路を開閉するＥＯスイッチであり、ＥＯスイッチ２１は例えば１０分間に一回開き、レーザービームのパルス（例えば１０ｐｐｓ）から１パルス分を取り出すと同時にレーザービームのパルス幅を３０〜１０ｎ秒に切り出しレーザービームのパルス幅を最適化するＥＯスイッチである。
上記１パルス分のレーザービームは、上記Ｎｄ：ＹＡＧレーザー２０に入射し増幅される。なお、レーザービームの波長は１０６４ｎｍである。
【０００９】
上記レーザー光はミラー２２、光を一方向にだけ通過させるアイソレータ２４、集光レンズ４７によりミラー２５を介してビームフィルタ２６に入射する。ビームフィルタ２６は内部が真空に保持されており、大気との圧力を保持する平行平面窓２６ａ，２６ｂ、アパーチャ２６ｃで構成され、上記レーザービーム形状を成形する。
ビームフィルタ２６から出射したレーザービームは、集光レンズ４７により縮小された後に焦点位置を通過後に徐々に拡大され、Ｎｄ：ガラスレーザー３０のロッド径に合わせてビーム径を拡大しながら入射する。さらに図示しないフラッシュランプの励起光により励起されるφ１６ｍｍのＮｄ：ガラスレーザー３０で増幅され、光を一方向にだけ通過させるアイソレータ３１を介して、φ２５ｍｍのＮｄ：ガラスレーザー４０にビーム径を拡大しながら入射して増幅される。
このレーザービームは、ビーム整形レンズ４６a,４６ｂによりフィルタ４３の中心４３ｃの近傍で集光するようにビームが整形される。そしてミラー４１，４２を介して、平行平面窓４３ａ，４３ｂ、アパーチャ４３ｃで構成される真空に保持されたビームフィルタ４３に入射してビーム形状が成形され、ビーム整形レンズ４６ａ，４６ｂにより集光されて焦点位置を通過後に徐々に拡大されながらＮｄ：ガラスレーザー５０のロッド径の大きさにあわせて拡大され、ミラー４４，４６を介して、φ４５ｍｍのＮｄ：ガラスレーザー５０に入射して増幅される。
このＮｄ：ガラスレーザー５０から出射するＮｄ：レーザービームは二倍波の偏光光に変換する非線形結晶への変換効率が最適な偏光光、最適なエネルギー密度になるように偏光板１６にて偏光方向が調整され、凸レンズと凹レンズからなるビーム縮小器１５によって縮小された並行光となるように調整される。なお、偏光板１６は、図１でアイソレーター３１と、Ｎｄ：ガラスレーザー４０との間に設けているが、部分反射ミラー１１とビーム縮小器１５との間のいずれかに設けてもかまわない。
【００１０】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器１０から取り出されたビームの１パルスを高いエネルギーまで増幅する為には、大きな蓄積エネルギーを有するＮｄ：ガラスレーザー媒質からエネルギーを抽出する必要があり、このときにＮｄ：ガラスレーザー媒質の単位面積あたりのダメージを抑えるために単位面積あたりのレーザーエネルギー密度をある一定値以下にしながら、このビーム径を段階的に大きくしながらエネルギーを増幅していくことが必要である。このビームを増幅するため、上述したようにＮｄ：ガラスレーザー３０，４０，５０，６０が設けられ、順次増幅される。
ここで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー２０及びＮｄ：ガラスレーザー３０の出射側には、光を一方向にだけ通過させるアイソレーター２４，３１が設けられているが、これは、一般にＮｄ：ＹＡＧレーザー及びＮｄ：ガラスレーザーは光が出力側から入射すると、破損することがあるためであり、光路の途中にアイソレーター２４，３１を設けることで、Ｎｄ：ガラスレーザーの破損を防止することができる。
【００１１】
また、Ｎｄ：ガラスレーザー３０及び５０の入射側に設けられたビームフィルタ２６，４３は内部が真空であり、入口側と出口側に平行窓２６ａ，２６ｂ，４３ａ，４３ｂを有し、入り口側の凸レンズ４７, ４６ｂで光を集光し、フィルタ２６，４３に設けたアパーチャ２６ｃ，４３ｃを通過させて成形するものであり、アパーチャ２６ｃ，４３ｃには例えば円形の貫通穴であり、ビームの形状を円状に成形する。
以上のように、光路内でのビームの自然な広がり、あるいは凸レンズを利用した広がりにより、所望のビーム径（φ５０ｍｍ）のレーザービームを形成し、その途中にビーム径にあわせて、Ｎｄ：ガラスレーザー３０，４０，５０，６０を順次配置して増幅することで、所望のビーム径を有し、且つ、所望のエネルギーを有したビームを得ることができる。
Ｎｄ：ガラスレーザー６０から出射するレーザービームは、ビーム径６０ｍｍ、波長１０６４ｎｍ、ビームエネルギーは１５０Ｊ（ジュール）である。このビームをビーム縮小器１５を通過させることで、所望のビーム径φ４０ｍｍとすることができる。
【００１２】
Ｎｄ：ガラスレーザー６０から出射するレーザービームは、ビーム縮小器１５と偏光板１６により、二倍波のＰ偏光光に最高の効率で変換されるように高調波変換非線形結晶７０、回折型ビーム成形光学素子８０から構成される光学素子８５に入射する。
高調波変換非線形結晶７０は、レーザービームを、二倍波に波長変換した偏光光にさせる。この高調波変換非線形結晶としては、例えばＤＫＤＰ（Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ  ｐｏｔａｓｓｉｕｍ  ｄｉｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ：りん酸二重水素カリウム）が用いられる。
このＤＫＤＰは、その結晶の光学軸に対して、ある角度で入射した偏光したレーザービームを波長変換し、偏光させる。偏光方向は、上記光学軸の入射偏光光と入射角度に応じて定まり、Ｐ偏光あるいはＳ偏光に変換する。
本実施例では、偏光板１６の回転方向により最適に調整されたレーザー光が高調波変換非線形結晶７０には入射したレーザービームを二倍波のＰ偏光光に変換するように配置されている。
すなわち、高調波変換非線形結晶７０に入射する波長１０６４ｎｍ（ビームエネルギー１５０Ｊ）のレーザービームは、その一部が高調波変換非線形結晶７０で波長５３２ｎｍのＰ偏光（例えば６０Ｊ）に変換される。このため、高調波変換非線形結晶７０から出射されたレーザービームは、波長１０６４ｎｍと波長５３２ｎｍ（約６０Ｊ）の光の混合されたものとなる。
すなわち、高調波変換非線形結晶７０から出射するレーザービームは、例えばビーム径４０ｍｍ、波長５３２ｎｍ（波長１０６４ｎｍの光を含む）、パルス幅５〜３０ｎｓ、波長５２３ｎｍの光のエネルギーは６０Ｊ以上である。
以上のように、Ｐ偏光に変換する高調波変換非線形結晶７０を設けることで、Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームは、その一部が高調波変換非線形結晶でＰ偏光に変換され、被照射物には、Ｐ偏光のビームのエネルギー（例えば６０Ｊ）が照射される。これにより、６０ＪのＰ偏光が被照射物に吸収される。
【００１３】
ここで、上記高調波変換非線形結晶７０により、波長を１０６４ｎｍから５３２ｎｍに変換する理由について説明する。
本発明が対象とする被照射物は、主としてシリコンウエハを想定しており、シリコンウエハに含まれるシリコン（Ｓｉ）は、以下の特性を有する。
図４にシリコン（Ｓｉ）における各波長の光の吸収率を示す。同図の横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は吸収率（波長が２００ｎｍ以下の光の吸収率を１としたときの相対値）である。
同図から明らかなように、シリコンに対して光を照射したとき、波長によってその光の吸収率が異なる。吸収率が高いほどシリコンへ吸収される光のエネルギーは多く、シリコンの加熱量も多くなる。すなわち、光の吸収率が高い方が、エネルギー効率が良いことになる。
すなわち、波長が１０００ｎｍを越えると、吸収率が低すぎて加熱には寄与しなくなり、被照射物に照射するレーザービームの波長を５３２ｎｍにすることで、被照射物を効率的に加熱することが可能となる。
【００１４】
ところで、図１（ｃ）に示すように、高調波変換非線形結晶７０から出射するレーザービームの形状は円形に近いものの強度分布は一様でない。
そこで、高調波変換非線形結晶７０から出射するレーザービームを、回折型ビーム成形光学素子８０に入射させ、強度分布を改善する。
回折型ビーム成形光学素子８０は、回折格子を用いた光学素子であり５３２ｎｍのレーザービームの強度分布を改善して均一化するとともに、その形状を成形（本実施例の場合には楕円形状に成形）する。
図１（ｄ）に回折型ビーム成形光学素子８０から出射するレーザービームのビーム形状例を示す。同図に示すように、ビーム形状は楕円形状となり、強度は一様となる。
回折型ビーム成形光学素子８０から出射するレーザービームは、ダイクロイックミラー８１に入射する。ダイクロイックミラー８１は、波長１０６４ｎｍの光を透過させ、波長５３２ｎｍのレーザービームのみを反射する。ダイクロイックミラー８１で反射したレーザービームは、ミラー８２で反射して、凹レンズ８３（例えば口径φ１００ｍｍ、焦点距離ｆ＝２０以上）に入射してビーム径が拡大され、載置台９０上に載せられた被照射物（ウエハＷ）に照射される。
なお、波長１０６４ｎｍの光は、被照射物がシリコンウエハの場合、吸収されず透過してしまう。このため、波長１０６４ｎｍの光は、被照射物のアニールに不要なだけでなく、被照射物を載置している載置台を損傷させる虞がある。そこで、上述したように不必要な波長の光をダイクロイックミラー８１で透過させ、必要な波長（Ｐ偏光、５３２ｎｍ）の光をダイクロイックミラーで反射させる。
【００１５】
図２に、レーザビームに対する載置台の配置例を示す。図２（ａ）は図１（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面図である。なお、図２（ａ）は同図中のＸＹＺ軸で示すようにＹ方向から見た図を示し、図２（ｂ）は同図中のＸＹＺ軸で示すようにＺ方向から見た図を示している。
図２（ａ）に示すように、被照射物は、レーザービームの進行方向に対して、例えば７６．５°の角度に傾けて配置されている。すなわち、図２（ａ）（ｂ）に示すように、被照射物の照射面は、ビームの楕円の短径を含むビームの進行方向に平行な平面に直交し、かつ、ビームの進行方向に対して照射面の角度が７６．５°（ビームの進行方向と照射面の垂線のなす角度）になるように載置台は斜めに配置されている。
これは、後述するように、本発明が処理の対象としてるシリコン単結晶においては、入射する偏光光がＰ偏光の場合、約７６．５°の角度から入射したときが反射率が最も小さくなり、その光の殆んどを吸収させることができるためである。これにより、被照射物へ吸収されるビームのエネルギー量を大きくすることができる。
上記のように被照射物（ウエハＷ）は、レーザービームの進行方向に対して、例えば７６．５°の角度に傾けて配置されているため、楕円の短径方向が、載置台上の被照射物に照射される際に引き伸ばされ、図２（ｂ）に示すように楕円形状のレーザービームはウエハＷ上でほぼ、円形となる。
【００１６】
図３は載置台が斜めに配置されている場合の被照射物上での照射領域を示す図であり、同図（ａ）はビーム形状（光軸に垂直な平面上に投影されるビーム形状）が円状のときの被照射物での照射領域を示し、（ｂ）はビーム形状（光軸に垂直な平面上に投影されるビーム形状）が楕円状のときの被照射物での照射領域を示す。なお、図３は同図中のＸＹＺ軸で示すようにＺ方向から見た図を示している。
ビーム形状を円形とすると、被照射物が円形の場合、同図（ａ) に示すように被照射物の照射面上ではビームが楕円状になり、円状の照射面（ウエハＷ）からはみ出す光が多くなる。このため、無駄になる光が多く、エネルギーの利用効率が悪くなる。
一方、回折型ビーム成形光学素子８０で、ビームの強度分布を均一化させるだけでなく、ビーム形を楕円状にすることで、図２（ｂ）に示すように、照射領域の形状を円状の照射面（ウエハＷ）とほぼ同様な形状とすることができる。
このため、照射面からはみ出すビームの量を小さくすることができ、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００１７】
上述したように、本実施例では、被照射物（ウエハＷ）をレーザービームの進行方向に対して、例えば７６．５°の角度に傾けて配置し、ウエハＷへのレーザービームの入射角を７６．５°としている。
これは以下の理由による。
図５に、Ｓ偏光とＰ偏光に対するシリコン単結晶の反射率を示す。同図の横軸は偏光光のシリコン単結晶への入射角、縦軸は反射率（全反射の場合が１）である。
シリコン単結晶にＳ偏光だけが入射した場合、同図に示すように、入射角０°のときに、すでに一部が反射され、入射角が大きくなるにつれて、反射率が高くなることが分かる。
一方、シリコン単結晶にＰ偏光だけが入射した場合、入射角０°のときに、一部反射されるものの、入射角が大きくなるにつれて、反射率が低くなり、入射角が約７６．５°のときに、反射することがなくなり、約７６．５°からさらに大きくするにつれて、反射率が大きくなる。
【００１８】
このように、シリコン単結晶においては、Ｓ偏光とＰ偏光とを入射させたときには、反射率特性が異なり、Ｐ偏光とＳ偏光との混合光の場合は、その比率に応じて反射率が変化する。
Ｐ偏光とＳ偏光の割合が１対１の場合（同図の「Ｒｐ＋Ｒｓ」の曲線参照）は、約７６．５°まで反射率が変化せず、約７６．５°より大きくするにつれて反射率が大きくなる。また、Ｐ偏光とＳ偏光との混合光は、その比率が７対３（同図の「０．７Ｒｐ＋０．３Ｒｓ」の曲線参照）や８対２（同図の「０．８Ｒｐ＋０．２Ｒｓ」の曲線参照）のように、Ｐ偏光の割合が大きくなると、Ｐ偏光の特性が大きく影響し、入射角が０°から約７６．５°までは順次反射率が低下し、約７６．５°より大きくすると、反射率が大きくなる。
以上のように、図５から、シリコン単結晶に対して、Ｐ偏光を約７６．５°の角度で入射させると、その光の殆んどを吸収することが分かる。また、Ｐ偏光とＳ偏光との混合光の場合でも、約７６．５°の角度で入射させることで、最も吸収率を大きくできることができることがわかる。
【００１９】
次に、本発明に示したレーザー光を用いたレーザーアニール装置を用いることで、従来の特許文献１に示されるフラッシュランプを用いたアニール装置と比べ、小さなエネルギー量でアニール処理が可能な理由について説明する。
図６は、シリコンウエハの表面を活性化する際に必要なエネルギー密度を示す図であり、同図の横軸は、シリコンウエハへ照射される光のパルス幅（秒）、縦軸はエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ2 ）である。
同図中の楕円で囲まれた領域Ａ中の点はフラッシュランプを用いてアニール処理したときにシリコンウエハを活性化するに必要な最小のエネルギーをプロットしたものである。また、領域Ｂ中の点はレーザー光を用いてアニール処理したときにシリコンウエハを活性化するに必要な最小のエネルギーを実験により求め、プロットしたものである。
同図の点線は、上記活性化できた最小の点の平均値を結んだものであり、アニール処理によりシリコンウエハを活性化するに必要な最小なエネルギー密度を示す。すなわち、エネルギー密度が点線より上側にあれば、シリコンウエハを活性化することができ、下側にあれば活性化できないことを意味している。
同図から明らかなように、シリコンウエハに照射する光のパルス幅が短いほど、少ないエネルギー密度で活性化することができる。本発明のレーザーアニール装置は、パルス幅をフラッシュランプよりも短くすることができることから、フラッシュランプを用いる場合より照射エネルギー密度を小さくすることができる。
すなわち、フラッシュランプを用いる場合は、エネルギーが大きいので、必要でない内部深くまで活性化されるが、レーザーアニールの場合には、必要な表面近くのみ活性化することができ、小さなエネルギーで活性化することが可能となる。
【００２０】
図７は、本発明の照射エネルギー密度の小さなレーザーアニール装置を用いて、シリコンウエハφ３０ｃｍを処理したときの結果を示す図である。
同図の横軸は、シリコンウエハの照射面からの深さ（ｎｍ）を示し、縦軸はイオン（ボロン）の密度を示し、同図の点線はアニール処理をする前、実線はアニール処理をした後のイオン（ボロン）の密度を示す。
同図から、本発明のアニール装置を用いることにより、シリコンウエハの深さ方向にイオン（ボロン）を拡散させることができることが分かる。このときのＮｄ：ガラスレーザーの照射エネルギーは３５０Ｊ以上が必要であった。フラッシュランプの場合、シリコンウエハに照射されるエネルギーは１６６ｋＪであるので、これに比べればレーザーアニール装置が如何に小さいエネルギーで処理できるかが分かる。
なお、アニール処理によりシリコンウエハの表面を活性化できたか否かは、上記のように拡散深さを調べるほかに、表面抵抗の変化により確認することができる。表面抵抗は、例えば活性化前は２ｋΩであったものが、活性化後は４Ωになるなど、大きく変化した。  
【００２１】
なお、上記実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器を用いているが、発振器はＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器に限定されるものではなく、Ｎｄ：ＹＬＦレーザーであってもかまわない。
Ｎｄ：ＹＬＦレーザーからのビームの波長は１０５３ｎｍであり、この場合は、Ｎｄ：ガラスレーザー装置から出射される波長も１０５３ｎｍとなるような構成のＮｄ：ガラスレーザーを用いる。  また、前記図１、図２では、被照射物を斜めに配置し、被照射物に対して、ビームの中心光線を約７６．５°の入射角で入射させているが、ビームは完全な平行光ではないことから、７６．５°以外で入射される光が存在し、被照射物の照射面上で、吸収される光の分布ができてしまう。
このため、図８に示すように、凹レンズ８３の後にビームを平行光にする凸レンズ８４を入れることが好ましい。ここで、凹レンズ８３の焦点距離をｆ２、凸レンズの焦点距離をｆ１とすると、平行光にするための倍率はｆ１／ｆ２となる。
【００２２】
上記第１の実施例によれば、以下の効果が得られる。
図４で説明したように、５３２ｎｍの光は、Ｓｉに対して吸収率が高く、シリコン単結晶に吸収されやすい波長である。また、図５で説明したようにＰ偏光を入射角７６．５°でシリコン単結晶に入射させることで、シリコン単結晶表面での反射率を最小にすることができる。
このため、第１の実施例のレーザーアニール装置によれば、シリコンを含む被照射物を効率よく加熱することができる。特に、被照射物へのＰ偏光の中心光線の入射角が７６．５°あるいは、この角度に近い角度（例えば７６．５°±５°）になるように入射させることで、効率よく加熱することができる。
また、Ｎｄ：ガラスレーザーを複数段を用いることでビーム径が広がっていく過程で、レーザービームを増幅することができ、ビーム径が大きくなっても所期の照度を確保することができる。このため、被照射物を一括照射することができ、スキャン照射が不要であり、短時間で処理することができる。また、凹レンズを用いれば、ビーム径の拡大を容易に行なうことができる。
【００２３】
また、図６で説明したように、本実施例のレーザーアニール装置でアニール処理を行うことにより、フラッシュランプで処理するよりも照射エネルギー効率が高く、少ないエネルギーで活性化が可能である。これは、照射光のパルス幅が少ないほうが加熱に必要なエネルギーが少なくて済むためである。
さらに、照射光がシリコンウエハ上で反射されないように、Ｐ偏光を斜めに入射させていることで、従来のフラッシュランプを用いた場合に比べ、照射エネルギーをさらに小さくすることができる。
【００２４】
第１の実施例では、Ｎｄ：ガラスレーザー６０からのレーザービーム（１０６４ｎｍ、１５０Ｊ）のうち、一部（６０Ｊ）をＰ偏光光（５３２ｎｍ）にしているだけで、残りのビーム（１０６４ｎｍ）は捨てている。すなわち、ダイクロイックミラー８１で透過させて、被照射物には照射されないようにしている。
このため、捨てている分、エネルギー効率が悪い。以下の実施例では、この捨てている光を有効活用している。
図９は第２の実施例の構成を示す模式図であり、同図は、図１の点線で囲った高調波変換非線形結晶７０、回折型ビーム成形光学素子８０から構成される光学素子８５の部分の構成を示し、その他の部分は図１と同じである。
第２の実施例では、光学素子８５内に、入射するレーザービームを二倍波でＰ偏光光にする高調波変換非線形結晶７０と、回折型ビーム成形光学素子８０との間に、高調波変換非線形結晶７０で変換できずに残ったガラスレーザービームを二倍波のＳ偏光光にする高調波変換非線形結晶７１を配置した。
【００２５】
このため、Ｐ偏光光にする高調波変換非線形結晶７０で変換できなかったビーム（１０６４ｎｍ）は、高調波変換非線形結晶７１で二倍波のＳ偏光光に変換され、被照射物に照射される。なお、高調波変換非線形結晶７０から出射するＰ偏光光は、高調波変換非線形結晶７１で変換されず透過する。
被照射物は、Ｓ偏光光の一部を反射するものの一部は吸収する。このため、Ｓ偏光光が吸収される分、エネルギー効率を向上させることができる。
なお、第２の実施例のようにＰ偏光光とＳ偏光光の混合光とした場合でも、Ｐ偏光光の割合が大きければ、Ｐ偏光光が吸収されやすい角度（例えば７６．５°）で、この混合光を入射させることで、被照射物への吸収効率は高くなる。すなわち、エネルギー効率が高い。
第２の実施例では、Ｎｄ：ガラスレーザーからのビーム（１０６４ｎｍ）の光を、二倍波のＰ偏光光（５３２ｎｍ）とＳ偏光光（５３２ｎｍ）に変換しているものの、その全てを変換できるものではなく、ごく一部は変換されず残ってしまう。このため、ダイクロイックミラー８１で、この変換されなったビーム（１０６４ｎｍ）を透過させている。
【００２６】
以上のように第２の実施例では、二倍波のＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶７０と、Ｓ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶７１とを備える。
これにより、Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームは、その一部が高調波変換非線形結晶７０で二倍波のＰ偏光光に変換され、残りの一部が別の高調波変換非線形結晶７１で二倍波のＳ偏光光に変換され、被照射物には、二倍波のＰ偏光のビームのエネルギー（例えば６０Ｊ）と、Ｓ偏光光のビームのエネルギー（例えば２０Ｊ）とが照射される。
このため、二倍波のＰ偏光（６０Ｊ）が被照射装置に吸収されるとともに、Ｓ偏光（例えば２０Ｊ）の一部も被照射物に吸収される。したがって、第１の実施例より、二倍波のＳ偏光光が吸収される分、エネルギー効率を向上させることができる。
【００２７】
図１０は本発明の第３の実施例の構成を示す模式図であり、同図は図１の点線で囲った光学素子８５の部分の構成を示し、その他の部分は図１と同じである。
第３の実施例では、Ｎｄ：ガラスレーザー装置からのビーム（１０６４ｎｍ、１５０Ｊ）を、まずＳ偏光光にする高調波変換非線形結晶７２に入射させて、一部を二倍波のＳ偏光光（５３２ｎｍ、６０Ｊ）にする。
残った基本波１０６４ｎｍはダイクロイックミラー７５ａにて反射される。ダイクロイックミラー７５を通過したこのＳ偏光光（５３２ｎｍ）は、次の複屈折素子（λ／２板）７３に入射させることで、９０°偏光させ、Ｐ偏光光に変換する。この複屈折素子７３は、５３２ｎｍの光を偏光する機能を有するものの、波長を変換する機能を有さない。
【００２８】
ダイクロイックミラー７５ａにて紙面下方に反射した基本波光はミラー７６ａにて高調波変換非線形結晶７４に入射させて一部を二倍波のＰ偏光光（５３２ｎｍ、２０Ｊ）に変換される。
残った基本波光１０６４ｎｍはダイクロイックミラー７５b にて反射される。
上記２つの二倍波のＰ偏光光は回折型ビーム成形光学素子７７ａ、７７ｂにてビームの空間強度が均一にされ、ミラー７６ｂ，７６ｃを経てワークに照射される。
このため、Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームは、殆んどが波長５３２ｎｍのＰ偏光光に変換され、この２つのＰ偏光光を被照射面に斜めに入射させることで、被照射物に反射されずに効率よくアニール処理することができ、エネルギー効率が高い。
なお、第３の実施例でも、Ｎｄ：ガラスレーザー６０からのレーザービーム（１０６４ｎｍ）の光を、全てを二倍波のＰ偏光光にできるものではなく、ダイクロイックミラー７５a,７５b で、変換されなったビーム（１０６４ｎｍ）を反射させている。
【００２９】
以上のように本発明の第３の実施例では、二倍波のＳ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶７２と、複屈折素子７３と、二倍波のＰ偏光光に変換する高調波変換非線形結晶７４とを備える。
このため、Ｎｄ：ガラスレーザーからのビームは、その一部が高調波変換非線形結晶７２で二倍波のＳ偏光光に変換され、この二倍波のＳ偏光が複屈折素子７３でＰ偏光光に変換され、ビームの残りの一部が別の高調波変換非線形結晶７４で二倍波のＰ偏光光に変換される。
したがって、被照射物には、複屈折素子７３で変換されたＰ偏光光（例えば６０Ｊ）と、別の高調波変換非線形結晶７４で変換された二倍波のＰ偏光光（例えば２０Ｊ）とが照射される。
すなわち、６０Ｊ＋２０ＪのＰ偏光が被照射物に吸収されることとなり、前記第１及び第２の実施例よりも、エネルギー効率を向上させることができる。
【００３０】
ところで、回折型ビーム成形光学素子８０には、光軸を折り曲げる機能や、ビーム径を拡大させる機能を持たせることができる。この機能を使って、複数の光源からの照射光を重ね合わせて被照射物に照射するように構成することもできる。
図１１、図１２は上記機能を用いて、複数の光源からの照射光を重ね合わせて照射したり、凹レンズを省略できるようにした本発明の第４の実施例を示す図である。
同図は、前記図１において、回折型ビーム成形光学素子８０、凹レンズ８３、被照射物等から構成される部分のみを示し、その他の構成は図１と同じである。
図１１において、回折型ビーム成形光学素子８０ａ，８０ｂ，８０ｃで光軸の方向が代えられた３つの光源からのレーザービームは、凹レンズ８３ａ，８３ｂ，８３ｃでビーム径が拡大され、被照射物（ウエハＷ）上に重ねて照射される。このように構成することで、被照射面に大きなエネルギーのレーザービームを照射することができる。
【００３１】
図１２（ａ）は、回折型ビーム成形光学素子８０のビーム径を拡大させる機能を用いて凹レンズを省略できるようにした構成例であり、回折型ビーム成形光学素子８０でレーザービームの径が拡大され被照射物（ウエハＷ）に照射される。
このように構成することで、凹レンズを設ける必要がなく、構成を簡単化することができる。
図１２（ｂ）は、回折型ビーム成形光学素子８０の光軸を折り曲げる機能と、ビーム径を拡大させる機能との、両方の機能を加え、２つの光源からの照射光を重ね合わせて被照射物に照射するように構成した場合の構成例を示す。
回折型ビーム成形光学素子８０ａ，８０ｂで光軸の方向が代えられ、かつビーム径が拡大された２つの光源からのレーザービームが、被照射物（ウエハＷ）上に重ねて照射される。このように構成することで、図１１と同様に被照射面に大きなエネルギーのレーザービームを照射することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０        Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器
１１        部分反射ミラー
１２        全反射ミラー
１３        ＥＯスイッチ
１４        ビーム拡大器
１５        ビーム縮小器
１６        偏光板
２０        Ｎｄ：ＹＡＧレーザー
２１        ＥＯスイッチ
２２，２３        ミラー
２４，３１        アイソレータ
２６，４３        ビームフィルタ
２６ａ，２６ｂ，４３ａ，４３ｂ      平行平面窓
２６ｃ，４３ｃ    アパーチャ
３０，４０，５０，６０      Ｎｄ：ガラスレーザー
４１，４２，４４，４５      ミラー
４６ａ，４６ｂ      ビーム成形レンズ
７０，７１，７２，７４      高調波変換非線形結晶
７３        複屈折素子
７７ａ，７７ｂ、８０，８０ａ，８０ｂ，８０ｃ      回折型ビーム成形光学素子
７５ａ，７５ｂ、８１        ダイクロイックミラー
７６ａ，７６ｂ，７６ｃ、８２        ミラー
８３        凹レンズ
８４        凸レンズ
８５        光学素子
９０        載置台
１００      Ｎｄ：ガラスレーザー装置
Ｗ          ウエハ
【図１】
2011071261.tif 000003
【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６】
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【図７】
2011071261.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011071261.tif 000011
【図１０】
2011071261.tif 000012
【図１１】
2011071261.tif 000013
【図１２】
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