(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザー光を用いてガラスなどの基体内にドープ材料をドープする方法を提供する。【解決手段】ガラスなどの基体２を準備する。続いて、この基体２の表面４上に、ドーピングしたいドープ材料６を置く。次に、この状態にて、炭酸ガスレーザーを、基板２の表面４とドープ材料６の境界面近傍に照射する。この時、炭酸ガスレーザ光８を走査して、ドーピングを行いたい範囲に炭酸ガスレーザー光８を照射する。炭酸ガスレーザーの照射によって基体２が溶融し、ドープ材料６が混入する。照射後には、基体２が冷却され、混入されたドープ材料６を含んだまま基体２が凝固し、ドーピングが行われる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上にドープ材料を載置するステップと、
ドープ材料を載置した基体に対し、レーザーを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップと、
を備えたドーピング方法。
【請求項２】
基体上にドープ材料を載置するステップと、
ドープ材料を載置した基体に対し、レーザーを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップと、
を備えたドープされた基体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２の方法において、前記ドープ材料は、蛍光材料、鉄、銅、アルミニウムのいずれかであることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの方法において、
前記基体は、ガラスであることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの方法において、
前記基体に対してレーザの照射位置を移動させることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５のいずれかの方法において、
前記レーザの照射位置の移動速度を、レーザの出力に応じて変化させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光を用いたドーピング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板などの電気的特性を変化させるため、不純物をドーピングするイオン注入法が用いられている。注入したイオンの量などにより、電気的特性を調整することができる。
【０００３】
また、熱拡散法も用いられている。ウェハー表面に不純物を含むガスを高温にして吹き付け、ウェハー内に拡散させるものである。
【０００４】
一方、レーザ光を用いてガラスなどに加工を施す方法が開示されている。たとえば、特許文献１には、レーザ光を集光照射して、ガラスに亀裂又は損傷を与えて彫り込んで、その内部に三次元画像を形成する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５４８４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、イオン注入法を用いた場合には、イオンの打ち込みにより格子が損傷する。このため、アニールなどの熱処理を行って損傷した結晶を回復させる必要があり、工程が煩雑となっていた。
【０００７】
一方、熱拡散法では別工程としてアニールなど熱処理が必要でないものの、ドーピングしたい範囲を正確に制御することが難しかった。
【０００８】
また、特許文献１に記載の従来技術においては、レーザを用いてガラス内に所望の三次元形状を彫り込む点が開示されているものの、ガラス内に不純物などをドーピングする加工については開示されていない。
【０００９】
この発明は、レーザ光を用いてガラスなどの基体内にドープ材料をドープする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】
【００１０】
(1)この発明に係るドーピング方法は、基体上にドープ材料を載置するステップと、ドープ材料を載置した基体に対し、レーザを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップとを備えている。
【００１１】
したがって、加工前後に熱処理などを行うことなく、局所的にドーピングを行うことができる。
【００１２】
(2)この発明に係るドープされた基体の製造方法は、基体上にドープ材料を載置するステップと、ドープ材料を載置した基体に対し、レーザを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップとを備えている。
【００１３】
したがって、加工前後に熱処理などを行うことなく、局所的にドーピングを行った基体を得ることができる。
【００１４】
(3)この発明に係る方法は、前記ドープ材料が、蛍光材料、鉄、銅、アルミニウムのいずれかであることを特徴としている。
【００１５】
(4)この発明に係る方法は、基体が、ガラスであることを特徴としている。
【００１６】
(5)この発明に係る方法は、基体に対してレーザの照射位置を移動させることを特徴としている。
【００１７】
(6)この発明に係る方法は、レーザの照射位置の移動速度を、レーザの出力に応じて変化させることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の一実施形態によるドーピング方法（ドープされた基体の製造方法）のプロセスを示す図である。
【図２】低融点のドープ材料を用いた場合のドープ状況を示す図である。
【図３】高融点のドープ材料を用いた場合のドープ状況を示す図である。
【図４】図４は、ドーピング方法を実施するための光学系である。
【図５】図５は、蛍光材料のドーピングを行ったガラス表面の光学式顕微鏡画像である。
【図６ａ】図６ａは、サンプルのガラスの断面である。
【図６ｂ】図６ｂは、炭素の分布状況を示す断面である。
【図６ｃ】図６ｃは、シリコンの分布状況を示す断面である。
【図６ｄ】図６ｄは、ナトリウムの分布状況を示す断面である。
【図７ａ】図７ａは、サンプルのガラスの断面である。
【図７ｂ】図７ｂは、鉄の分布を示す断面である。
【図７ｃ】図７ｃは、シリコンの分布を示す断面である。
【図７ｄ】図７ｄは、ナトリウムの分布を示す断面である。
【図８】図８は、レーザ出力とドープの広がりとの関係を示す。
【図９】図９は、レーザ出力とドープの深さとの関係を示す。
【図１０ａ】図１０ａは、サンプルのガラスの断面である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、銅の分布を示す断面である。
【図１０ｃ】図１０ｃは、シリコンの分布を示す断面である。
【図１０ｄ】図１０ｄは、ナトリウムの分布を示す断面である。
【図１１】図１１は、レーザ出力とドープの広がりとの関係を示す。
【図１２】図１２は、レーザ出力とドープの深さとの関係を示す。
【図１３】図１３は、レーザ操作速度、レーザ出力と、ドープ成否との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に、この発明の一実施形態によるドーピング方法を示す。まず、ガラスなどの基体２を準備する（図１Ａ）。続いて、この基体２の表面４上に、ドーピングしたいドープ材料６を置く（図１Ｂ）。次に、この状態にて、炭酸ガスレーザを、基板２の表面４とドープ材料６の境界面近傍に照射する（図１Ｃ）。この時、炭酸ガスレーザ光８を走査して、ドーピングを行いたい範囲に炭酸ガスレーザ光８を照射する。炭酸ガスレーザの照射によって基体２が溶融し、ドープ材料６が混入する。照射後には、基体２が冷却され、混入されたドープ材料６を含んだまま基体２が凝固し、ドーピングが行われる。
【００２０】
表面上の余分なドープ材料を取り除くと、図１Ｄのような状態になる。つまり、基体２の中にドープされたものを得ることができる。
【００２１】
図２Ａ、Ｂ、Ｃに、低融点のドープ材料６を載置した場合の変化を模式的に示す。図２Ｂに示すように、レーザ光８を照射すると、ドープ材料６が溶融し、溶融した基体２と混ざり合う。レーザ光８の照射を止めると、図２Ｃに示すように、基体２にドープ材料６がドーピングされた状態で固まることになる。
【００２２】
また、図３Ａ、Ｂ、Ｃに、高融点のドープ材料６を載置した場合の変化を模式的に示す。図３Ｂに示すように、レーザ光８を照射すると、基体２が溶融して窪みができ、ドープ材料６が落ち込む。レーザ光８の照射を止めると、図３Ｃに示すように、基体２にドープ材料６がドーピングされた状態で固まることになる。
【００２３】
なお、この実施形態では、レーザ光を加工部位に照射し溶融させるようにしている。したがって、加工前後に熱処理（アニール）を行う必要がない。
【００２４】
レーザ光源としては、基体２にて吸収の生じるレーザ光である必要がある。基体２がガラスである場合には、赤外光レーザである炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザ、紫外光レーザであるエキシマレーザを用いることが好ましい。基体において吸収を生じる光を照射できるものであるなら、気体レーザ、固体レーザ、液体レーザなどを用いることができる。
【００２５】
ドープ材料６としては、銅粉、鉄粉、アルミニウム粉などの金属材料、蛍光染料などを用いることができる。
【実施例】
【００２６】
１．実験の手順
ここでは、次のような手順で実験を行った。
【００２７】
(1)レーザ光軸に対して垂直に置いたガラスサンプルを、水平移動させることで、ドープ領域を形成する。なお、レーザ光源からガラスサンプルまでの距離は２mm、水平移動の速度は１mm/秒とした。
【００２８】
(2)ガラスサンプルをポリエステルで固め、その後、サンプル表面を研磨した。
【００２９】
(3)走査型電子顕微鏡におけるエネルギー分散型Ｘ線分析（EDX）により、サンプルの断面を解析し、ガラス中の成分を明らかにした。
【００３０】
２．実験装置
2.1レーザ
連続レーザの駆動には、関数発生器によって生成される電気パルス信号を必要とする。パルス信号の電圧を２．５Vとし、繰り返し周波数を５，０００KHzとした。レーザの出力は、デューティ比によって調整した。
【００３１】
【表１】
2015010017.tif 000003
【００３２】
2.2サンプル
表２に、処理対象であるガラスサンプル（S-BAL7）の特性を示す。
【００３３】
低融点のドーピング材料として蛍光材料を用意し、高融点のドーピング材料として鉄および銅を用意した。蛍光材料は、蛍光塗料に含まれるものを用いた。鉄および銅の直径は、いずれも３２μmより小さいものとした。
【００３４】
【表２】
2015010017.tif 000004
【００３５】
2.3光学系
図４に、この研究に用いた光学系を示す。CO2レーザをガラスサンプルの上面から照射する。日本ナショナルインスツルメンツ社の制御ソフトウエアLabVIEW（商標）を用いて、単軸ステージを制御した。これにより、単軸ステージにおける、走査速度、走査距離を調整することができる。
【００３６】
３．実験結果
3.1低融点ドーピング材料
図５に、蛍光材料のドーピングを行ったガラス表面の光学式顕微鏡画像を示す。レーザの照射領域において、水玉模様が認められる。
【００３７】
図６ａは、サンプルのガラスである。図６ｂに炭素の分布状況、図６ｃにシリコンの分布状況、図６ｄにナトリウムの分布状況を示す。シリコンおよびナトリウムは、レーザを照射した領域に分布しており、炭素は周辺およびガラスサンプル表面のレーザ照射領域に分布している。蛍光材料中の炭素が、ガラスの中にドーピングされたことが分かる。
【００３８】
3.2高融点ドーピング材料
3.2.1鉄のドーピング
図７ｂ〜図７ｄに、鉄のドーピングを行った時の、鉄、シリコン、ナトリウムの分布を示す。図７ｂが鉄の分布、図７ｃがシリコンの分布、図７ｄがナトリウムの分布である。なお、図７ａは、サンプルのガラスである。
【００３９】
図７ｂにおいて、ガラスとポリエステルとの間に、白い斑点が認められる。この斑点は鉄を示している。さらに、この斑点において、シリコンとナトリウムが減少している（図７ｃ、図７ｄ参照）。したがって、鉄がドーピングされていることが分かる。
【００４０】
図８に、レーザ出力とドープの広がりとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ広さである。図９に、レーザ出力とドープの深さとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ深さである。ドープ領域の最も深い位置の、表面からの深さである。
【００４１】
ドープ領域は、レーザ出力を増加させるにしたがって、広くなる傾向にある。これは、レーザ出量増加に伴って、熱拡散長も長くなるからである。同様に、レーザ出力の増加により、ドープ深さも深くなっている。レーザ出力を９W〜１０Wとしたとき、最大ドープ広さは約３．０mmであり、最大ドープ深さは２２７μmであった。
【００４２】
3.2.2銅のドーピング
図１０ｂ〜図１０ｄに、銅のドーピングを行った時の、銅、シリコン、ナトリウムの分布を示す。図１０ｂが銅の分布、図１０ｃがシリコンの分布、図１０ｄがナトリウムの分布である。なお、図１０ａは、サンプルのガラスである。
【００４３】
図１１に、レーザ出力とドープの広がりとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ広さである。図１２に、レーザ出力とドープの深さとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ深さである。ドープ領域の最も深い位置の、表面からの深さである。
【００４４】
ドープ領域は、レーザ出力を増加させるにしたがって、広くなる傾向にある。これは、レーザ出量増加に伴って、熱拡散長も長くなるからである。同様に、レーザ出力の増加により、ドープ深さも深くなっている。レーザ出力を８．５W〜９Wとしたとき、最大ドープ広さは約２．８mmであり、最大ドープ深さは９６μmであった。
【００４５】
3.3走査速度とドーピング成否
図１３に、銅をドーピングした場合の、走査速度とドーピング成否との関係を示す。丸印がドーピング成功、バツ印がドーピング不成功、三角印が変形を伴ったドーピング成功を示す。
【００４６】
この図からも明らかなように、おおむね走査速度（mm）の７倍を越えるレーザ出力（W）が必要であることが分かる。また、変形を生じないようにするためには、さらに、レーザ出力（W）が、走査速度（mm）の１０倍を超えないことが必要であることが分かる。
【００４７】
3.4まとめ
レーザ出力を増加させることにより、ドープ領域の広さと深さを大きくすることができる。これは、熱拡散効果によるものである。
【００４８】
レーザ出力が小さすぎると、ドープは成功しない。鉄の場合であれば、レーザ出力が６．５W以下であれば、ドープは成功しなかった。銅の場合であれば、レーザ出力が５．５W以下であれば、ドープは成功しなかった。
【００４９】
ドーピングの成否に関して、走査速度に応じた適切なレーザ出力が必要であることが判明した。
【００５０】
以上のようにして、加工前後に熱処理などを行うことなく、局所的にドーピングを行うことができる。
【図１】
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【図４】
2015010017.tif 000006
【図１３】
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【図２】
2015010017.tif 000008
【図３】
2015010017.tif 000009
【図５】
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【図６ａ】
2015010017.tif 000011
【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７ａ】
2015010017.tif 000015
【図７ｂ】
2015010017.tif 000016
【図７ｃ】
2015010017.tif 000017
【図７ｄ】
2015010017.tif 000018
【図８】
2015010017.tif 000019
【図９】
2015010017.tif 000020
【図１０ａ】
2015010017.tif 000021
【図１０ｂ】
2015010017.tif 000022
【図１０ｃ】
2015010017.tif 000023
【図１０ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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