(57)【要約】      （修正有）【課題】金属の抵抗率が低下し、製造されるＩＣチップの性能を向上させることができる金属層の溶融処理のためのレーザ系システムおよび方法を提供する。【解決手段】レーザ溶融システム２は、金属層１４ＬまたはＩＣ構造１３の何れかの上にレーザ光線によって形成される焦点スポットＦＳを走査することを含む。ＩＣ構造は、金属および非金属を含む。焦点スポットは、走査経路上を走査される。走査経路は、部分的に重複する複数の走査経路セグメントを含む。焦点スポットは、金属層を局所的に溶融させるか、あるいは、非金属を溶融させることなくＩＣ構造の金属を局所的に溶融させるために選択される放射照度および滞留時間を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの表面に形成された集積回路（ＩＣ）構造の処理方法であって、
前記ＩＣ構造は、第１の融点Ｔ１を有する少なくとも一つの金属特性部と、第１の融点Ｔ１よりも高い第２の融点Ｔ２を有する少なくとも一つの非金属特性部とによって規定され、
連続波レーザまたは準連続波レーザによって照射されたレーザ光線から焦点レーザスポットを形成することと、
前記焦点レーザスポットを前記ＩＣ構造上で走査して、前記少なくとも一つの金属特性部および前記少なくとも一つの非金属特性部の両方に照射することと
を備え、
前記レーザ光線は、前記半導体ウエハの表面に対してＰ偏光されており、
前記走査中において、前記少なくとも一つの金属特性部は溶融して再結晶化する一方、前記少なくとも一つの非金属特性部は溶融しない、
方法。
【請求項２】
前記焦点レーザスポットは、少なくとも０．５×１０７Ｗ／ｃｍ２の放射照度を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記焦点レーザスポットの走査は、走査ミラーを含むＦ−θ走査システムを用いて実行される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ光線が前記Ｆ−θ走査システムに到達する前に、前記レーザ光線を音響光学変調器に通すことによって前記焦点レーザスポットの継続期間を制御することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記焦点レーザスポットは、５０ナノ秒から１５０ナノ秒の範囲内の滞留時間ｔｄを有している、請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザ光線は、５３２ｎｍまたは３５５ｎｍの波長を有している、請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも一つの金属特性部の反射率の変化を測定し、前記走査の間に前記少なくとも一つの金属特性部が溶融したか否かを判定することをさらに備える、請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも一つの金属特性部のブルースター角から２度の範囲内の入射角度で前記半導体ウエハの表面に前記焦点レーザスポットを照射することをさらに備える、請求項１から７の何れか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記金属特性部は銅を含み、前記ブルースター角は、約７０．５度である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記走査は多重走査経路セグメント上で実施され、前記多重走査経路セグメントは、互いに部分的に重複する、請求項１から９の何れか１項に記載の方法。
【請求項１１】
第１の抵抗率を有し、半導体ウエハの表面に形成される金属層の処理方法であって、
連続波レーザまたは準連続波レーザによって照射されたＰ偏光レーザ光線から焦点レーザスポットを形成することと、
前記金属層上で前記焦点レーザスポットを走査して、前記金属層が局所的に溶融して再結晶化し、これにより、前記金属層は前記第１の抵抗率よりも小さい第２の抵抗率を有するようになることと
を備える方法。
【請求項１２】
前記焦点レーザスポットは、少なくとも０．５×１０７Ｗ／ｃｍ２の放射照度を有している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記焦点レーザスポットの走査は、走査ミラーを含むＦ−θ走査システムを用いて実行される、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記Ｐ偏光レーザ光線が前記Ｆ−θ走査システムに到達する前に、前記Ｐ偏光レーザ光線を音響光学変調器に通すことによって前記Ｐ偏光レーザ光線の継続期間を制御することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記焦点レーザスポットは、５０ナノ秒から１５０ナノ秒の範囲内の滞留時間ｔｄを有している、請求項１１から１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記Ｐ偏光レーザ光線は、５３２ｎｍまたは３５５ｎｍの波長を有している、請求項１１から１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属層の反射率の変化を測定し、前記走査の間に前記金属層が局所的に溶融したか否かを判定することをさらに備える、請求項１１から１６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記金属層のブルースター角から２度の範囲内の入射角度で前記半導体ウエハの表面に前記焦点レーザスポットを照射することをさらに備える、請求項１１から１７の何れか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属層は銅を含む、請求項１１から１８の何れか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記走査は多重走査経路セグメント上で実施され、前記多重走査経路セグメントは、互いに部分的に重複する、請求項１１から１９の何れか１項に記載の方法。
【請求項２１】
半導体ウエハを処理するシステムであって、
前記半導体ウエハは、金属層、または少なくとも一つの金属特性部を有する集積回路構造の何れかを支持しており、
前記システムは、連続波レーザ光源または準連続波レーザ光源と、音響光学変調器と、Ｆ−θ走査システムとを備えており、
前記連続波レーザ光源または準連続波レーザ光源は、前記金属層または前記集積回路構造に対してＰ偏光されたレーザ光線を生成するように構成され、
前記音響光学変調器は、前記レーザ光線を受光し、このレーザ光線から第１のレーザ光線および第２のレーザ光線を形成し、前記第２のレーザ光線は、ビームダンプへ方向付けられ、
前記Ｆ−θ走査システムは、前記第１のレーザ光線を受光し、この第１のレーザ光線から焦点レーザ光線を生成し、前記焦点レーザ光線は、焦点スポットＦＳを形成し、前記焦点スポットＦＳは、前記金属層または前記ＩＣ構造の何れかの上で走査され、前記金属層または前記ＩＣ構造の少なくとも一つの金属特性部を局所的に溶融させる、
システム。
【請求項２２】
前記金属層または前記少なくとも一つの金属特性部は、銅で形成されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記レーザ光線は、５３２ｎｍまたは３５５ｎｍの波長を有している、請求項２１または２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記焦点レーザ光線は、前記金属層または前記少なくとも一つの金属特性部を構成する金属のブルースター角から２度の範囲内の入射角度で、前記金属層または前記少なくとも一つの金属特性部に入射する、
請求項２１から２３の何れか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
第１の光強度検出器と、第２の光強度検出器と、制御部とをさらに備え、
前記第１の光強度検出器は、前記第１のレーザ光線の一部を受光し、第１の検出信号ＳＡを生成するように配置されており、
前記第２の光強度検出器は、前記少なくとも一つの金属特性部から反射した前記焦点スポットＦＡから反射された光を受光し、第２の検出信号ＳＢを生成するように配置されており、
前記制御部は、前記第１の光強度検出器および前記第２の光強度検出器に動作可能に接続され、前記第１の検出信号ＳＡおよび前記第２の検出信号ＳＢを受信し、これらから前記少なくとも一つの金属特性部または前記金属層の反射率ＲＳを算出する、
請求項２１から２４の何れか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願情報〕
本出願は、２０１７年７月２８日に出願された「半導体製造における金属層の溶融処理のためのレーザ系システムおよび方法」という名称の米国仮特許出願第６２／５３８，４１２号の優先権の利益を主張する。この米国仮特許出願の全開示は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【０００２】
〔技術分野〕
本発明は、概略的には、集積回路を形成および処理するための半導体製造において使用されるレーザ処理の分野に関連し、より具体的には、半導体製造における金属層の溶融処理のためのレーザ系システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体製造には、例えば、論理回路、メモリ回路などの集積回路（ＩＣ）の形成が含まれる。ＩＣの製造は、半導体（例えば、シリコン）ウエハに微小な三次元構造を形成し、例えば、トランジスタ、キャパシタ、電気相互接続、電気的隔離特徴などの様々な回路要素を規定することを含む。電気相互接続は、通常、ＩＣ内の所定の高さ以内の間だけでなく、異なる高さの間にも延びている。ＩＣの製造プロセスは、ウエハの初期準備からＩＣの最終パッケージングまでに非常に多くの（例えば、数十のあるいは多数の）処理工程を含む。
【０００４】
従来、アルミニウムは電気相互接続を形成するのに好適な金属であった。１９９７年には、アルミニウムと比較して低い抵抗率を有し、細い線を形成する際により高い信頼性および性能を有していることを理由に、電気相互接続は銅に取って代わられた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このアルミニウムから銅への相互接続材料の変化は利点を有している一方、集積度の増大化への要求によって、ＩＣ性能に対して依然として多大な要求がなされている。したがって、金属相互接続の電気的性能が改善されたシステムおよび方法を提供することは有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一局面は、半導体ウエハの表面に形成されたＩＣ構造の処理方法に関する。ＩＣ構造は、第１の融点Ｔ１を有する少なくとも一つの金属特性部と、第１の融点Ｔ１よりも高い第２の融点Ｔ２を有する少なくとも一つの非金属特性部とによって規定される。この方法は、連続波レーザまたは準連続波レーザによって照射されたレーザ光線から焦点レーザスポットを形成することと、前記焦点レーザスポットを前記ＩＣ構造上で走査して、前記少なくとも一つの金属特性部および前記少なくとも一つの非金属特性部の両方に照射することとを含む。ここで、前記レーザ光線は、前記半導体ウエハの表面に対してＰ偏光されている。また、前記走査中において、前記少なくとも一つの金属特性部および前記少なくとも一つの非金属特性部の両方に照射することで、前記少なくとも一つの金属特性部は溶融して再結晶化する一方、前記少なくとも一つの非金属特性部は溶融しない。
【０００７】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記焦点レーザスポットは、少なくとも０．５×１０７Ｗ／ｃｍ２の放射照度を有している。
【０００８】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記焦点レーザスポットの走査は、走査ミラーを含むＦ−θ走査システムを用いて実行される。
【０００９】
本開示の別の局面は、上述の方法において、前記レーザ光線が前記Ｆ−θ走査システムに到達する前に、前記レーザ光線を音響光学変調器に通すことによって前記焦点レーザスポットの継続期間を制御することをさらに含む。
【００１０】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記焦点レーザスポットは、５０ナノ秒から１５０ナノ秒の範囲内の滞留時間ｔｄを有している。
【００１１】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記レーザ光線は５３２ｎｍまたは３５５ｎｍの波長を有している。
【００１２】
本開示の別の局面は、上述の方法において、前記少なくとも一つの金属特性部の反射率の変化を測定し、前記走査の間に前記少なくとも一つの金属特性部が溶融したか否かを判定することをさらに備える。
【００１３】
本開示の別の局面は、上述の方法において、前記少なくとも一つの金属特性部のブルースター角（偏光角）から２度の範囲内の入射角度で前記半導体ウエハの表面に前記焦点レーザスポットを照射することをさらに備える。
【００１４】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記金属特性部は銅を含み、前記ブルースター角は、約７０．５度である。
【００１５】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記走査は多重走査経路セグメント上で実施される。前記多重走査経路セグメントは、互いに部分的に重複する。
【００１６】
本開示の別の局面は、第１の抵抗率を有し、半導体ウエハの表面に形成される金属層の処理方法に関する。この方法は、連続波レーザまたは準連続波レーザによって照射されたＰ偏光レーザ光線から焦点レーザスポットを形成することと、前記金属層上で前記焦点レーザスポットを走査して、前記金属層が局所的に溶融して再結晶化し、これにより、前記金属層は前記第１の抵抗率よりも小さい第２の抵抗率を有するようになることとを含む。
【００１７】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記焦点レーザスポットは、少なくとも０．５×１０７Ｗ／ｃｍ２の放射照度を有している。
【００１８】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記焦点レーザスポットの走査は、走査ミラーを含むＦ−θ走査システムを用いて実行される。
【００１９】
本開示の別の局面は、上述の方法において、前記Ｐ偏光レーザ光線が前記Ｆ−θ走査システムに到達する前に、前記Ｐ偏光レーザ光線を音響光学変調器に通すことによって前記Ｐ偏光レーザ光線の継続期間を制御することをさらに含む。
【００２０】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記焦点レーザスポットは、５０ナノ秒から１５０ナノ秒の範囲内の滞留時間ｔｄを有している。
【００２１】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記Ｐ偏光レーザ光線は５３２ｎｍまたは３５５ｎｍの波長を有している。
【００２２】
本開示の別の局面は、上述の方法において、前記金属層の反射率の変化を測定し、前記走査の間に前記金属層が局所的に溶融したか否かを判定することをさらに備える。
【００２３】
本開示の別の局面は、上述の方法において、前記金属層のブルースター角（偏光角）から２度の範囲内の入射角度で前記半導体ウエハの表面に前記焦点レーザスポットを照射することをさらに備える。
【００２４】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記金属層は銅を含む。
【００２５】
本開示の別の局面では、上述の方法において、前記走査は多重走査経路セグメント上で実施される。前記多重走査経路セグメントは、互いに部分的に重複する。
【００２６】
本開示の別の局面は、半導体ウエハを処理するシステムに関する。この半導体ウエハは、金属層、または少なくとも一つの金属特性部を有する集積回路構造の何れかを支持している。このシステムは、連続波レーザ光源または準連続波レーザ光源と、音響光学変調器と、Ｆ−θ走査システムとを備えている。前記連続波レーザ光源または準連続波レーザ光源は、前記金属層または前記集積回路構造に対してＰ偏光されたレーザ光線を生成するように構成されている。前記音響光学変調器は、前記レーザ光線を受光し、このレーザ光線から第１のレーザ光線および第２のレーザ光線を形成する。前記第２のレーザ光線は、ビームダンプへ方向付けられている。前記Ｆ−θ走査システムは、前記第１のレーザ光線を受光し、この第１のレーザ光線から焦点レーザ光線を生成する。焦点レーザ光線は、焦点スポットＦＳを形成する。焦点スポットＦＳは、前記金属層または前記ＩＣ構造の何れかの上で走査され、前記金属層または前記ＩＣ構造の少なくとも一つの金属特性部を局所的に溶融させる。
【００２７】
本開示の別の局面では、上述のシステムにおいて、前記金属層または前記少なくとも一つの金属特性部は、銅で形成されている。
【００２８】
本開示の別の局面では、上述のシステムにおいて、前記レーザ光線は５３２ｎｍまたは３５５ｎｍの波長を有している。
【００２９】
本開示の別の局面では、上述のシステムにおいて、前記焦点レーザ光線は、前記金属層または前記少なくとも一つの金属特性部を構成する金属のブルースター角（偏光角）から２度の範囲内の入射角度で、前記金属層または前記少なくとも一つの金属特性部に入射する。
【００３０】
本開示の別の局面は、上述のシステムに関する。このシステムは、第１の光強度検出器と、第２の光強度検出器と、制御部とをさらに備えている。前記第１の光強度検出器は、前記第１のレーザ光線の一部を受光し、第１の検出信号ＳＡを生成するように配置されている。前記第２の光強度検出器は、前記少なくとも一つの金属特性部から反射した前記焦点スポットＦＡから反射された光を受光し、第２の検出信号ＳＢを生成するように配置されている。前記制御部は、前記第１の光強度検出器および前記第２の光強度検出器に動作可能に接続され、前記第１の検出信号ＳＡおよび前記第２の検出信号ＳＢを受信し、これらから前記少なくとも一つの金属特性部または前記金属層の反射率ＲＳを算出する。
【００３１】
さらなる特徴点及び利点は、以下の詳細な説明に明記される。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面に記載された実施形態を実施することによって認識されるであろう。上記の概要及び下記の詳細な説明に関する記載は、単なる例示であって、特許請求の範囲に記載されている本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明を説明するために、図面は本発明の一つ以上の実施形態の態様を示す。しかし、本発明は、図面に示される具体的な配置や手段に限定されないことを理解すべきである。
【図１】図１は、本開示にかかるレーザ溶融システムの一例を示す上面図である。
【図２】図２は、本開示にかかるレーザ溶融システムの一例を示す側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、金属層を有するウエハ表面の一例を示す上面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、金属特性部および非金属特性部を含むＩＣ構造を有するウエハ表面の一例を示す上面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、レーザ溶融システムによって形成された光線の拡大図である。この光線は、ウエハ表面に焦点スポットを形成し、かつ、反射光線を形成する。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示す焦点スポットの一例を示す拡大図である。この図では、走査方向を矢印で示す。
【図５】図５は、走査経路における隣接する２つの走査経路セクション上で焦点スポットが移動する際の異なる地点における時間内の焦点スポットを示す拡大図である。
【図６Ａ】図６Ａは、焦点スポットがウエハの金属層上を走査する際の２つの異なる地点における時間内の焦点スポットを示す拡大図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａと同様の図であるが、ウエハ表面が金属特性部および非金属特性部を有するＩＣ構造を有する場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以降、本開示の様々な実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。図面において可能な限り、同一または類似の部分には、同一または類似の参照番号および参照符号が用いられる。図面には決まった縮尺がなく、当業者であれば、図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。
【００３４】
下記の特許請求の範囲の記載は、発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。
【００３５】
いくつかの図面において、参考のためにデカルト座標が描かれているが、これは方向または配置位置を限定するものではない。
レーザ溶融システム
【００３６】
図１は、本開示にかかる一例のレーザ溶融システム（「システム」）２を示す上面図であり、図２は、この一例のレーザ溶融システム（「システム」）２を示す側面図である。このシステム２は、チャックアセンブリ６を含んでいる。チャックアセンブリ６は、ウエハ１０を支持し固定するように構成された上面８を有している。一例では、チャックアセンブリ６は、ウエハ１０を、例えば１５０℃の予熱温度にまで予備加熱するように構成されている。
【００３７】
ウエハ１０は、上面（「ウエハ表面」）１１および裏面１２を有している（図２）。図３Ａは、金属層１４Ｌを有する一例のウエハ表面１１を示す上面拡大図である。図３Ｂは、図３Ａと同様に、ＩＣ構造１３を有するウエハ表面１１の一例を示す。一例のＩＣ構造１３は、金属特性部１４Ｆおよび非金属特性部１５を含んでいる。一例では、金属特性部１４Ｆは、従来公知の半導体処技術を用いて図３Ａの金属層１４Ｌから形成される。
【００３８】
一例では、ＩＣ構造１３における非金属特性部１５の少なくとも一つは、誘電体材料または半導体材料を含んでいる。一例では、ＩＣ構造１３は、それぞれ異なる種類の非金属特性部１５（例えば、異素材で作られたもの）を含み、また、非金属特性部１５は、すべて同一の非金属材料で形成され得る。図３Ｂに示される一例のＩＣ構造１３は、実例として、複数の金属特性部１４Ｆおよび複数の非金属特性部１５をそれぞれ含んでいる。これらは、別段の指定がない限り、以下の説明において参照される。一例では、金属特性部１４Ｆは、全て同じ金属材料で形成され得る。他の例では、金属特性部１４Ｆは、２つ以上の異なる材料で形成され得る。以下の説明では、金属層１４Ｌまたは金属特性部１４Ｆに、単一の金属材料が使用されると仮定する。
【００３９】
金属層１４Ｌまたは金属特性部１４Ｆの金属は、第１の融点Ｔ１を有する。一方、非金属特性部１５の金属は、第２の融点Ｔ２を有する。ここで、Ｔ２＞Ｔ１である。例えば、金属層１４Ｌおよび金属特性部１４Ｆの金属は、銅、アルミニウム、金、クロム、マグネシウム、マンガン、ニッケル、および亜鉛を含む。金属層１４Ｌおよび金属特性部１４Ｆの金属が銅である例では、第１の融点Ｔ１は、１０８５℃である。一例の誘電性非金属特性部１５は、ＳｉＯ２である。ＳｉＯ２は、１７１０℃の第２の融点Ｔ２を有する。
【００４０】
一例では、ＩＣ構造１３は、三次元ＩＣ回路の製造プロセスの一部として、ウエハ１０上に形成された三次元ＩＣ構造（図示せず）の上層部分を含む。一例では、製造されるＩＣは、それぞれが金属特性部１４Ｆ又は連続した金属層１４Ｌを含む複数のメタライズ層を有し得る。そして、ここで説明する方法は、一つ以上のメタライズ層に適用可能である。一例では、金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌは、フロントエンド（ＦＥＯＬ）製造、バックエンド（ＢＥＯＬ）製造、および／または最終ＩＣ製品を形成するために使用される最終パッケージング工程と関連し得る。
【００４１】
図１および図２を再度参照すると、システム２はレーザ光源１６を含む。レーザ光源１６は、レーザ光１８を出射する。一例では、レーザ光源１６は、連続波（ＣＷ）または準連続波ＣＷ光ファイバレーザを備えている。一例では、レーザ光１８は、５３２ｎｍの波長λを有する。また他の例では、波長λは、３５５ｎｍである。さらに、一例のレーザ光源１６は、５００Ｗの平均出力を有する１５０ＭＨｚの反復率、１％から１００％までの出力同調性、１．５ナノ秒のパルス持続時間、約±０．５％の出力安定性、およびＴＥＭ００モードＭ２＜１．２のビーム質を有する。このようなレーザ光源の一例は、マサチューセッツ州オックスフォードの株式会社ＩＰＧフォトニクス製のＧＬＰＮ−５００−Ｒファイバレーザである。コリメートレンズ２０は、レーザ光源１６の下流側に配置され、レーザ光１８を平行にし、コリメート光１８Ｃを形成する。
【００４２】
また、システム２は、音響光学変調器（ＡＯＭ）３０を含む。ＡＯＭ３０は、コリメート光１８Ｃを受光し、受光したコリメート光１８Ｃから第１の光線１８Ａおよび第２の光線１８Ｂを形成するように配置されている。第１の光線１８Ａおよび第２の光線１８Ｂは、第１のミラー３８Ａおよび第２のミラー３８Ｂによってそれぞれ受光される。ＡＯＭ３０の効率は約８５％であり、これにより、レーザ光１８が約５００Ｗの光出力を有するとき、一次回折光である第１の光線１８Ａは約４２５Ｗの光出力を有し、ゼロ次回折光である第２の光線１８Ｂは約７５Ｗの光出力を有することになるであろう。ＡＯＭ伝送（例えば、レーザ光線１８Ａおよび１８Ｂにおける光出力量）は、以下での説明するように、変調器制御信号ＳＭの電圧を制御することによって制御され得る。
【００４３】
第１のミラー３８Ａは、部分的に伝送される。そして、第１の光線１８Ａの大部分（例えば、９９．５％）が走査ミラー装置５０へ導かれ、第１の光線１８Ａの残りの部分が第１の光強度検出器６０Ａへ伝送される。第２のミラー３８Ｂは、第２の光線１８Ｂをビームダンプ４０へ誘導する。ＡＯＭ３０は、後述するように、第１の光線１８Ａの強度および継続時間を制御するために用いられる。一例では、走査ミラー装置５０は、複数（例えば、４０）の反射面（ファセット）５２を有する多面走査ミラーを備えている。図１に示される走査ミラー装置５０は、説明の便宜上、５個のファセット５２を有している。
【００４４】
Ｆ−θレンズ７０は、走査ミラー装置５０に対して操作可能に配置され、走査ミラー装置５０から反射した第１の光線１８Ａを受光し、第１の光線１８Ａから焦点光線１８Ｆを形成する。これにより、走査ミラー装置５０およびＦ−θレンズ７０は、Ｆ−θ走査システム７４を構成する。一例では、Ｆ−θレンズ７０は、例えば、約０．０５などの比較的小さな開口数（ＮＡ）を有する。
【００４５】
図２に最も良く示されるように、折り返しミラー８０は、焦点光線１８Ｆをウエハ表面１１へ導くために使用される。焦点光線１８Ｆは、ウエハ表面１１のｘ−ｙ平面に対してＰ偏光するように照射される。焦点光線１８Ｆは、面法線Ｎに対してビーム角βでウエハ表面１１に入射する。一例では、ビーム角βは、ウエハ表面１１の所定の金属のブルースター角βＢであるか、あるいはその付近（例えば、ブルースター角βＢの２度以内、あるいはより好ましくは、ブルースター角βＢの１度以内）である。金属が銅であり、波長がλ＝５３２ｎｍである場合には、ブルースター角βＢは約７０度である。
【００４６】
焦点光線１８Ｆは、図１、並びに図４Ａおよび図４Ｂの拡大図などに示すように、ウエハ表面１１に焦点スポットＦＳを形成する。焦点スポットＦＳは、（例えば、長円形に）引き延ばされ、ｘ方向に指向する長軸ＤＬと、ｙ方向に指向する短軸ＤＳとを有する。一例では、長軸ＤＬは、２・ＤＳと５・ＤＳとの間の長さを有する。一例では、短軸ＤＳは約２５ミクロンであり、長軸ＤＬは約約７５ミクロンである。後で詳述するように、図４Ｂは、走査方向ＳＤに移動する焦点スポットＦＳを示す。
【００４７】
焦点光線１８Ｆの焦点スポットＦＳの一部は、金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌから反射し、反射光線１８Ｒを形成する（図１、図２、および図４Ａ）。金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌが銅で形成され、焦点光線１８ＦがＰ偏光されている例では、反射光線１８Ｒは、入射した焦点光線１８Ｆの強度の約４０％の強度を有する。反射光線１８Ｒは、ビーム分割ミラー９０に照射される（図２）。ビーム分割ミラー９０は、光の選択部分（例えば、約９９．５％）をビームダンプ１００へ導く。一方、光の残りの部分（例えば、約０．５％）は、第２の光強度検出器６０Ｂへ伝送される。
【００４８】
図１を参照すると、第１の光強度検出器６０Ａおよび第２の光強度検出器６０Ｂは、制御部１２０に動作可能に接続され、第１の光強度検出器６０Ａおよび第２の光強度検出器６０Ｂで測定された第１の検出光強度および第２の検出光強度を代表する第１の検出信号ＳＡおよび第２の検出信号ＳＢを制御部１２０にそれぞれ提供する。制御部１２０は、（例えば、非一時的コンピュータ読み取り可能媒体で具現化されたソフトウエアまたはファームウエアの形態での指示によって）第１の検出信号ＳＡおよび第２の検出信号ＳＢを受信し、ウエハ表面１１の反射率ＲＳを測定するように構成されている。具体的には、反射率ＲＳは、２つの検出信号ＳＡおよびＳＢの較正比、すなわち、ＲＳ＝ＳＢ／ＳＡで与えられる。金属の反射率ＲＳは、固相から液相へ遷移するときに低下するため、反射率ＲＳは、金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌが溶融したか否かの指標として使用され得る。
【００４９】
また、制御部１２０には、ＡＯＭ３０も動作可能に接続されている。制御部１２０は、変調器制御信号ＳＭをＡＯＭ３０へ送信し、ＡＯＭ３０の動作を制御する。具体的には、制御部１２０は、第１の光強度検出器６０Ａから第１の検出信号ＳＡを介して第１の光線１８Ａの強度を監視し、ＡＯＭ３０を制御して第１の光線１８Ａの経時的な強度変動を減少させる。このＡＯＭ３０の閉ループフィードバック制御は、経時的な強度変動を有する第１の光線１８Ａにおいて、例えば、時間平均強度を１％未満とする。加えて、ＡＯＭ３０は作動および停止してシャッタとしての役割を果たす。これにより、第１の光線１８Ａは、走査ミラー装置５０の異なるファセット５２に入射したときに「オン」状態を維持するが、第１の光線１８Ａが隣接するファセット５２の間の頂点またはウエハ１０の端部に入射するのを避けるために「オフ」状態とすることができる。
【００５０】
また、走査ミラー装置５０およびチャックアセンブリ６は、制御部１２０に動作可能に接続され、制御部１２０によって制御され、後述するように、ウエハ表面１１上の焦点スポットＦＳを走査する。
ウエハ上の焦点スポットの走査
【００５１】
システム２は、ウエハ表面１１上の焦点スポットＦＳを走査するように構成されている。上述したように、ウエハ表面１１は、金属層１４Ｌ（図３Ａ参照）またはＩＣ構造１３を含んでいる。ＩＣ構造１３は、金属特性部１４Ｆおよび非金属特性部１５を有している（図３Ｂ参照）。チャックアセンブリ６は、Ｘ−Ｙ平面で移動し、Ｚ方向にも調節可能である。
【００５２】
図５は、焦点スポットＦＳが走査経路ＳＰの隣接する２つの走査経路セクションＳＰ１およびＳＰ２上で移動する際の焦点スポットＦＳを示す拡大図である。走査経路ＳＰを規定する際には、チャックアセンブリ６はチャック速度ＳＣで−Ｘ方向に移動することができ、焦点スポットＦＳは焦点スポット速度ＳＳで＋Ｙ方向に移動する（走査する）ことができる。チャックアセンブリ６およびＦ−θ走査システム７４の動作は、制御部２０によって連動される。これにより、焦点スポットＦＳは、図５に示すように、第１の走査経路セクションＳＰ１上のウエハ表面１１の一部の上を＋Ｙ方向に走査し、その後、（第１の走査経路セクションＳＰ１に隣接する）第２の走査経路セクションＳＰ２上を＋Ｙ方向に再度走査する。第２の走査経路セクションＳＰ２は、第１の走査経路セクションＳＰ１から＋Ｘ方向にシフトされている。これにより、図５に示すように、第２の走査経路セクションＳＰ２は、第１の走査経路セクションＳＰ１と部分的に重複する。ここで、第１および第２の走査経路セクションＳＰ１およびＳＰ２のそれぞれの幅は、ＤＬである。一例では、隣接する走査経路の重複量は、０．１・ＤＬから０．３・ＤＬの間である。他の例では、隣接する走査経路の重複量は、より大きくてもよく、例えば、０．９・ＤＬ以下である。
【００５３】
一例では、Ｙ方向における焦点スポットＦＳの走査範囲は限定されている。この場合、チャックアセンブリ６のＹ位置は、チャックアセンブリ６がＸ方向の走査範囲を移動した後に調整される。これにより、さらなる走査経路セクションＳＰ１、ＳＰ２・・・は、Ｙ方向に走査されることができる。このプロセスは、金属層１４の全体が走査されるか、ＩＣ構造１３のすべてが走査されるまで繰り返される。
【００５４】
図６Ａは、焦点スポットＦＳが、隣接する第１および第２の走査経路セクションＳＰ１およびＳＰ２上の金属層１４Ｌを、矢印で示される走査方向ＳＤに走査する際の２つの異なる地点における時間内の焦点スポットＦＳを示す拡大図である。図６Ｂは、図６Ａと同様の図であるが、ウエハ表面１１がＩＣ構造１３を含んでいる場合の図である。このように、図６Ｂの例では、焦点スポットＦＳは金属特性部１４Ｆおよび非金属特性部１５の両方の上を走査する。すなわち、焦点スポットＦＳは、金属特性部１４Ｆ上のみに選択的に走査される必要はない。ここで、一例では、走査経路ＳＰは、多数の個別の走査経路セクション（ＳＰ１、ＳＰ２・・・）を含み得る。これらの個別の走査経路セクションは、同じ方向（例えば、図６Ａおよび図６Ｂに示すＹ方向）に延びている。
【００５５】
一例では、走査経路ＳＰ上の焦点スポットＦＳの走査は、チャックアセンブリ６の位置に基づいて、ＡＯＭが第１の光線１８Ａを適切な時間で作動させたり停止させたりすることによって可能となる。例えば、チャックアセンブリ６が長軸ＤＬまたはその選択部分に実質的に等しい距離だけ移動するごとに、焦点スポットＦＳはＹ方向に走査され得る。一例では、ウエハ１０の移動に関連したチャック速度ＳＣは約２００ｍｍ／ｓであり、走査される焦点スポットＦＳの焦点スポット速度ＳＳは約６００ｍ／ｓである。ウエハ１０はＸ方向に実質的にいかなる距離も動くことなく、焦点スポットＦＳは、走査経路セクションＳＰ１、ＳＰ２・・・の全体をこのような相対速度でＹ方向に移動することができる。
【００５６】
焦点スポットＦＳは、走査プロセス中にウエハ表面１１に分配されるエネルギー量が、金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌを局所的に溶融させるが非金属特性部１５は溶融させない程度の十分な強度および走査速度を有している。ここで、上述したように、融点はＴ２＞Ｔ１である。金属が銅である場合、第１の融点Ｔ１は１０８５℃であり、５３２ｎｍの波長λにおいて約７０．５度のブルースター角βＢ近辺における反射率（反射特性）は、約０．４である。一例では、焦点スポットＦＳは、少なくとも０．５×１０７Ｗ／ｃｍ２の放射照度ＩＲ、および、５０ナノ秒から１５０ナノ秒の範囲内の滞留時間ｔｄ（すなわち、焦点スポットＦＳが金属特性部１４Ｆの所与の位置にある時間）を有している。実験では、０．２５ミクロンの厚さを有する銅の金属層１４Ｌは、１．５×１０７Ｗ／ｃｍ２の放射照度ＩＲおよび５０ナノ秒の滞留時間ｔｄを有する焦点スポットＦＳによって、予熱温度１５０℃から１０８５℃の融点Ｔ１まで昇温される。
【００５７】
焦点スポットの放射照度および滞留時間ｔｄの組み合わせは、金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌの金属を（蒸発させることなく）局所的に即座に溶融させることができるように選択される。また、上記の組み合わせは、焦点スポットＦＳが離れたときには、融けた金属を即座に冷却し、再結晶化させることができる。この再結晶化プロセスは、金属における結晶粒構造の大きさを増大化させることによって、金属特性部１４Ｆの抵抗率を（元の抵抗率と比較して）低下させる。銅では、抵抗率の低下は、再結晶化された金属特性部１４Ｆにおける結晶粒構造の増大化によって、電子の平均自由行程が減少することに起因する。これにより、レーザ溶融処理は、金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌに、第２の抵抗率を付与する。第２の抵抗率は、元の抵抗率または第１の抵抗率よりも小さい。
【００５８】
すべての半導体材料が、例えば銅などの金属の融点よりも高い融点を有しているわけではない。例えば、ゲルマニウムは、約９３８℃の融点を有している。したがって、非金属特性部１５の融点Ｔ２が所与の金属の融点Ｔ１よりも低く、走査プロセス中に非金属特性部１５の溶融が回避されるのであれば、本明細書に開示されたようなウエハ表面１１の全体を走査して金属再結晶化を実行する方法は、制限されるかもしれない。例えば、ＩＣ製造プロセスにおける任意のメタライズ層において、Ｔ２＜Ｔ１である場合、本明細書に開示される再結晶化方法を省略することが最善であるかもしれない。
【００５９】
システム２（図１および２）は、金属層１４Ｌまたは金属特性部１４Ｆを構成する金属が走査プロセス中に実際に溶融するか否かを決定するように構成されていてもよい。上述したように、銅などの金属の反射率ＲＳは、固体状態のときよりも液体状態（溶融した状態）のときの方が小さいことが知られている。上述したように、金属特性部１４Ｆの反射率ＲＳは、第１の光強度検出器６０Ａおよび第２の光強度検出器６０Ｂによる第１の検出信号ＳＡと第２の検出信号ＳＢとの比、すなわち、ＲＳ＝ＳＢ／ＳＡによって決定され得る。したがって、金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌの反射率ＲＳの実質的な変化は、走査プロセス中に金属特性部１４Ｆまたは金属層１４Ｌの金属が実際に局所的に溶融したか否かを決定するために用いられ得る。また、この変化は、それに応じて、レーザ光源１６の光強度または走査速度（および、それに伴う滞留時間ｔｄ）を調整するために用いられ得る。
【００６０】
本発明の例示的な実施形態の詳細な説明を上述した。本明細書およびこれに添付される特許請求の範囲では、「Ｘ、Ｙ、およびＺの少なくとも一つ」および「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの一つ以上」という語句に使用されるような接続語は、別の特定の表記がない限り、接続リストにおける各項目が、当該リストにおける他の項目を除くあらゆる数で存在し得る、あるいは、接続リストにおける他のあらゆる項目と組み合わせた数で存在し得ることを意味するであろうことに留意すべきである。接続リストのそれぞれは、あらゆる数で存在してもよい。この一般則に沿うと、接続リストがＸ、Ｙ、およびＺからなる上記の例における接続語句は、以下のものをそれぞれ包含する。：Ｘの一つ以上、Ｙの一つ以上、Ｚの一つ以上、Ｘの一つ以上およびＹの一つ以上、Ｙの一つ以上およびＺの一つ以上、Ｘの一つ以上およびＺの一つ以上、並びに、Ｘの一つ以上およびＹの一つ以上およびＺの一つ以上。
【００６１】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および追加を行うことができる。上述した様々な実施形態のそれぞれの特徴は、関連する新しい実施形態において多数の特徴の組み合わせを提供するために、適宜、他の記載された実施形態の特徴と組み合わせることができる。さらに、上記には多くの別個の実施形態を記載しているが、本明細書に記載されているのは、本発明の原理の適用の単なる例示である。さらに、本明細書における特定の方法は、特定の順序で実行されるものとして図示および／または説明されているかもしれないが、順序は、本開示の態様を達成するために通常の技術の範囲内で高度に変化させることができる。したがって、この説明は、単なる例示であり、本発明の範囲を他の方法で限定するものではない。
【００６２】
例示的な実施形態は、上記に開示され、添付の図面に示されている。当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に具体的に開示されたものに様々な変更、省略および追加がなされ得ることが理解できるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【外国語明細書】
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