(57)【要約】【課題】  表層部に不純物が添加された半導体層を含む基板に、複数のレーザパルスをそれぞれ適切な条件で照射して、活性化深さを深めることができる不純物活性化方法を提供する。【解決手段】  不純物活性化方法は、（ａ）パルスレーザビームを出射する第１のパルスレーザ光源から出射され、第１のパルス幅を有する第１のレーザパルスを、表層部に不純物が添加された半導体層を含む基板に入射させて、該表面を溶融させる工程と、（ｂ）基板の表面上の、工程（ａ）で第１のレーザパルスが入射した入射領域と重なりを持つ領域に、第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有し、基板の表面でのピークパワーが第１のレーザパルスのピークパワーと等しいかそれよりも低く、パルスレーザビームを出射する第２のパルスレーザ光源から出射された第２のレーザパルスを入射させる工程とを有する。【選択図】  図５
2008041868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）パルスレーザビームを出射する第１のパルスレーザ光源から出射され、第１のパルス幅を有する第１のレーザパルスを、表層部に不純物が添加された半導体層を含む基板に入射させて、該表面を溶融させる工程と、
（ｂ）前記基板の表面上の、前記工程（ａ）で前記第１のレーザパルスが入射した入射領域と重なりを持つ領域に、前記第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有し、該基板の表面でのピークパワーが該第１のレーザパルスのピークパワーと等しいかそれよりも低く、パルスレーザビームを出射する第２のパルスレーザ光源から出射された第２のレーザパルスを入射させる工程と
を有する不純物活性化方法。
【請求項２】
前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）における前記第１のレーザパルスの前記基板への入射開始時刻から１μｓ以内に、前記第２のレーザパルスを該基板に入射させる請求項１に記載の不純物活性化方法。
【請求項３】
前記第１のパルス幅が２００ｎｓ以下である請求項１または２に記載の不純物活性化方法。
【請求項４】
前記第１のレーザパルスの前記基板の表面でのピークパワーが５０ｋＷ以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の不純物活性化方法。
【請求項５】
前記第２のパルス幅が１００ｎｓ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の不純物活性化方法。
【請求項６】
前記第２のレーザパルスの前記基板の表面でのピークパワーが１０ｋＷ以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載の不純物活性化方法。
【請求項７】
さらに、（ｃ）前記第１のレーザパルスの入射領域を前記基板の表面上で一方向にずらしながら、前記工程（ａ）及び（ｂ）を交互に繰り返す工程を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の不純物活性化方法。
【請求項８】
前記工程（ｂ）は、該基板に入射する第２のレーザパルスの入射領域が、該工程（ｂ）の直前の工程（ａ）で該基板に入射した第１のレーザパルスの入射領域を内包するように、第２のレーザパルスを該基板に入射させる請求項１〜７のいずれか１項に記載の不純物活性化方法。
【請求項９】
前記第１のパルスレーザ光源は、非線形光学結晶を含む第１の波長変換素子を有し、レーザ媒質から放出される基本波を該第１の波長変換素子により高調波に変換して前記第１のレーザパルスを出射し、
さらに、
（ｄ）前記第１の波長変換素子の温度と該第１の波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との対応関係に基づいて、該第１の波長変換素子の温度を、前記第１のパルスレーザ光源から前記第１のパルス幅のレーザパルスが出射されるように制御する工程
を有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の不純物活性化方法。
【請求項１０】
前記第２のパルスレーザ光源は、非線形光学結晶を含む第２の波長変換素子を有し、レーザ媒質から放出される基本波を該第２の波長変換素子により高調波に変換して高調波のパルスレーザビームを出射し、
さらに、
（ｅ）前記第２の波長変換素子の温度と該第２の波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との対応関係に基づいて、該第２の波長変換素子の温度を、前記第２のパルスレーザ光源から前記第２のパルス幅のレーザパルスが出射されるように制御する工程と
を有する請求項１〜９のいずれか１項に記載の不純物活性化方法。
【請求項１１】
外部から制御されて、第１のパルス幅及び第１のピークパワーを有する第１のレーザパルスを出射する第１のパルスレーザ光源と、
外部から制御されて、前記第１のパルス幅より長い第２のパルス幅を有し、前記第１のピークパワーと等しいかそれよりも低い第２のピークパワーを有する第２のレーザパルスを出射する第２のパルスレーザ光源と、
光照射対象物を保持する保持機構と、
前記第１のパルスレーザ光源から出射された第１のレーザパルス及び前記第２のパルスレーザ光源から出射された第２のレーザパルスを、該第２のレーザパルスの前記光照射対象物の表面上の入射領域が該第１のレーザパルスのそれと重なりを持つように、該光照射対象物に入射させる入射光学系と、
制御装置と
を有し、
前記第１のパルスレーザ光源は、光共振器内に配置されたＱスイッチを含むＱスイッチレーザ光源であり、非線形光学結晶を含む第１の波長変換素子、及び該第１の波長変換素子の温度を変化させる第１の温度調節器を有し、レーザ媒質から放出される基本波を該第１の波長変換素子により高調波に変換して前記第１のレーザパルスを出射し、
前記第２のパルスレーザ光源は、光共振器内に配置されたＱスイッチを含むＱスイッチレーザ光源であり、
前記制御装置は、前記第１の波長変換素子の温度と該第１の波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との第１の対応関係を記憶し、該第１の波長変換素子の温度が該第１の対応関係から得られた前記第１のパルス幅に対応する目標温度となるように、前記第１の温度調節器を制御して、前記第１のパルスレーザ光源から出射される前記第１のレーザパルスのパルス幅を該第１のパルス幅とする第１の制御を行うとともに、
（Ａ）前記第１のパルスレーザ光源から前記第１のレーザパルスを出射させ、該第１のレーザパルスを前記光照射対象物に入射させる工程と、
（Ｂ）前記第１のレーザパルスの前記光照射対象物への入射開始時刻から第１の期間以内に前記第２のレーザパルスが該光照射対象物に入射するように、前記第２のパルスレーザ光源から該第２のレーザパルスを出射させる工程と
が行われるように、前記第１及び第２のパルスレーザ光源のＱスイッチを制御するレーザ照射装置。
【請求項１２】
前記第２のパルスレーザ光源は、さらに、非線形光学結晶を含む第２の波長変換素子、及び該第２の波長変換素子の温度を変化させる第２の温度調節器を有し、レーザ媒質から放出される基本波を該第２の波長変換素子により高調波に変換して前記第２のレーザパルスを出射し、
前記制御装置は、前記第２の波長変換素子の温度と該第２の波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との第２の対応関係を記憶し、該第２の波長変換素子の温度が該第２の対応関係から得られた前記第２のパルス幅に対応する目標温度となるように、前記第２の温度調節器を制御して、前記第２のパルスレーザ光源から出射される前記第２のレーザパルスのパルス幅を該第２のパルス幅とする第２の制御を行う請求項１１に記載のレーザ照射装置。
【請求項１３】
外部から制御されて、第１のパルス幅及び第１のピークパワーを有する第１のレーザパルスを出射する第１のパルスレーザ光源と、
外部から制御されて、前記第１のパルス幅より長い第２のパルス幅を有し、前記第１のピークパワーと等しいかそれよりも低い第２のピークパワーを有する第２のレーザパルスを出射する第２のパルスレーザ光源と、
光照射対象物を保持する保持機構と、
前記第１のパルスレーザ光源から出射された第１のレーザパルス及び前記第２のパルスレーザ光源から出射された第２のレーザパルスを、該第２のレーザパルスの前記光照射対象物の表面上の入射領域が該第１のレーザパルスのそれと重なりを持つように、該光照射対象物に入射させる入射光学系と、
制御装置と
を有し、
前記第１のパルスレーザ光源は、光共振器内に配置されたＱスイッチを含むＱスイッチレーザ光源であり、
前記第２のパルスレーザ光源は、光共振器内に配置されたＱスイッチを含むＱスイッチレーザ光源であり、非線形光学結晶を含む波長変換素子、及び該波長変換素子の温度を変化させる温度調節器を有し、レーザ媒質から放出される基本波を該波長変換素子により高調波に変換して前記第２のレーザパルスを出射し、
前記制御装置は、前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との対応関係を記憶し、該波長変換素子の温度が該対応関係から得られた前記第２のパルス幅に対応する目標温度となるように、前記温度調節器を制御して、前記第２のパルスレーザ光源から出射される前記第２のレーザパルスのパルス幅を該第２のパルス幅とする制御を行うとともに、
（Ａ）前記第１のパルスレーザ光源から前記第１のレーザパルスを出射させ、該第１のレーザパルスを前記光照射対象物に入射させる工程と、
（Ｂ）前記第１のレーザパルスの前記光照射対象物への入射開始時刻から第１の期間以内に前記第２のレーザパルスが該光照射対象物に入射するように、前記第２のパルスレーザ光源から該第２のレーザパルスを出射させる工程と
が行われるように、前記第１及び第２のパルスレーザ光源のＱスイッチを制御するレーザ照射装置。
【請求項１４】
前記保持機構は、前記光照射対象物を前記第１及び第２のレーザパルスが入射する表面と平行な方向に移動させ、
前記入射光学系は、前記保持機構が前記光照射対象物を移動させていない状態で、前記第２のレーザパルスの前記光照射対象物の表面上のビーム断面が、前記第１のレーザパルスの該光照射対象物の表面上のビーム断面を含む大きさとなるように、該第１及び第２のレーザパルスのビーム断面を整形する整形光学系を含み、
前記制御装置は、前記工程（Ｂ）で該光照射対象物に入射する第２のレーザパルスの入射領域が、該工程（Ｂ）の直前の工程（Ａ）で該光照射対象物に入射した第１のレーザパルスの入射領域を内包するような速度で、前記光照射対象物を移動させるように、前記保持機構を制御する請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は不純物活性化方法に関し、特に、表層部に不純物が添加された半導体層を含む基板にレーザビームを照射して不純物を活性化する不純物活性化方法に関する。本発明はまた、このような不純物活性化方法を行うことができるレーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表層部に不純物が添加された半導体層を含む基板にレーザビームを照射することにより、不純物を活性化することができる。特許文献１が開示する一実施例の不純物活性化方法（特許文献１の図５（Ｂ）、段落［００８３］〜［００８４］参照）では、表面に不純物が添加された半導体基板に、パルスレーザ光源から出射されたレーザパルスが照射され、このレーザパルスの照射期間中または照射終了後に、さらに連続波レーザビームが照射される。レーザパルスの照射により、不純物の活性化が開始し、連続波レーザビームの照射により、レーザパルスの照射で上昇した基板表面の温度が高い状態に維持されて、不純物の活性化反応が基板の深い位置にまで及ぶ。
【０００３】
また、特許文献１が開示する他の実施例の不純物活性化方法（特許文献１の図７（Ｂ）、段落［０１０２］〜［０１０６］参照）では、表面に不純物が添加された半導体基板に、パルスレーザ光源から出射された３つ以上のレーザパルスが照射される。あるレーザパルスの照射期間中または照射終了後に次のレーザパルスが照射される。１つ目のレーザパルスの照射により、不純物の活性化が開始し、２つ目以後のレーザパルスの照射により、１つ目のレーザパルスの照射で上昇した基板表面の温度が高い状態に維持されて、不純物の活性化が基板の深い位置にまで及ぶ。照射される各レーザパルスのパルス幅は、例えば１００ｎｓである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の不純物活性化方法のうち、レーザパルスに加えて連続波レーザビームを照射する方法では、連続波レーザビームのピークパワーが例えば１０Ｗ（特許文献１の段落［００８３］参照）と低い。
【０００５】
特許文献１の不純物活性化方法のうち、複数のレーザパルスを照射する方法では、例えば特許文献１の図７（Ｂ）に示されているように、照射される複数のレーザパルスのピークパワー、パルス幅等の特性が同一である。例えば２つ目のレーザパルスは１つ目のレーザパルスと等しいピークパワーを有し、これは連続波レーザビームのピークパワーより高い。しかし、同一の特性のレーザパルスを複数照射するよりも良好な不純物活性方法があると考えられる。
【０００６】
本発明の一目的は、表層部に不純物が添加された半導体層を含む基板に、複数のレーザパルスをそれぞれ適切な条件で照射して、活性化深さを深めることができる不純物活性化方法を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、このような不純物活性化方法を行うことができるレーザ照射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点によれば、（ａ）パルスレーザビームを出射する第１のパルスレーザ光源から出射され、第１のパルス幅を有する第１のレーザパルスを、表層部に不純物が添加された半導体層を含む基板に入射させて、該表面を溶融させる工程と、（ｂ）前記基板の表面上の、前記工程（ａ）で前記第１のレーザパルスが入射した入射領域と重なりを持つ領域に、前記第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅を有し、該基板の表面でのピークパワーが該第１のレーザパルスのピークパワーと等しいかそれよりも低く、パルスレーザビームを出射する第２のパルスレーザ光源から出射された第２のレーザパルスを入射させる工程とを有する不純物活性化方法が提供される。
【０００９】
本発明の第２の観点によれば、外部から制御されて、第１のパルス幅及び第１のピークパワーを有する第１のレーザパルスを出射する第１のパルスレーザ光源と、外部から制御されて、前記第１のパルス幅より長い第２のパルス幅を有し、前記第１のピークパワーと等しいかそれよりも低い第２のピークパワーを有する第２のレーザパルスを出射する第２のパルスレーザ光源と、光照射対象物を保持する保持機構と、前記第１のパルスレーザ光源から出射された第１のレーザパルス及び前記第２のパルスレーザ光源から出射された第２のレーザパルスを、該第２のレーザパルスの前記光照射対象物の表面上の入射領域が該第１のレーザパルスのそれと重なりを持つように、該光照射対象物に入射させる入射光学系と、制御装置とを有し、前記第１のパルスレーザ光源は、光共振器内に配置されたＱスイッチを含むＱスイッチレーザ光源であり、非線形光学結晶を含む第１の波長変換素子、及び該第１の波長変換素子の温度を変化させる第１の温度調節器を有し、レーザ媒質から放出される基本波を該第１の波長変換素子により高調波に変換して前記第１のレーザパルスを出射し、前記第２のパルスレーザ光源は、光共振器内に配置されたＱスイッチを含むＱスイッチレーザ光源であり、前記制御装置は、前記第１の波長変換素子の温度と該第１の波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との第１の対応関係を記憶し、該第１の波長変換素子の温度が該第１の対応関係から得られた前記第１のパルス幅に対応する目標温度となるように、前記第１の温度調節器を制御して、前記第１のパルスレーザ光源から出射される前記第１のレーザパルスのパルス幅を該第１のパルス幅とする第１の制御を行うとともに、（Ａ）前記第１のパルスレーザ光源から前記第１のレーザパルスを出射させ、該第１のレーザパルスを前記光照射対象物に入射させる工程と、（Ｂ）前記第１のレーザパルスの前記光照射対象物への入射開始時刻から第１の期間以内に前記第２のレーザパルスが該光照射対象物に入射するように、前記第２のパルスレーザ光源から該第２のレーザパルスを出射させる工程とが行われるように、前記第１及び第２のパルスレーザ光源のＱスイッチを制御するレーザ照射装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
第１の観点による不純物活性化方法を用いれば、第１のレーザパルスの照射により溶融した基板の表面を、第２のレーザパルスの照射により温度が高い状態に維持することができるので、不純物の活性化深さを深くすることができる。第２のレーザパルスはパルスレーザ光源から出射されるので、ピークパワーを所望の高さにして、基板表面の温度を高く維持することが容易である。また、第２のレーザパルスのパルス幅（第２のパルス幅）が第１のパルスのそれ（第１のパルス幅）よりも長いので、例えば、第２のレーザパルスのパルス幅が第１のレーザパルスのそれと等しい場合に比べて、基板表面の温度が高く維持される期間が長くなり、活性化深さをより深めることができる。
【００１１】
第２の観点によるレーザ照射装置は、例えば、半導体層に添加された不純物の活性化処理に用いることができ、第１のパルスレーザ光源が有する波長変換素子の温度制御により、不純物活性化に適したパルス幅を有する第１のレーザパルスを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１を参照して、本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置について説明する。パルスレーザ装置１が、パルスレーザビームＰ１を出射する。制御装置１００が、パルスレーザ装置１を制御する。制御装置１００は、例えばパーソナルコンピュータを用いて構成される。パルスレーザ装置１から出射されたパルスレーザビームＰ１が、コリメータレンズ２で平行光にされて、偏光ビームスプリッタ３に入射する。パルスレーザ装置１は、偏光ビームスプリッタ３に対してＳ偏光となるパルスレーザビームＰ１を出射する。
【００１３】
パルスレーザ装置４が、パルスレーザビームＰ２を出射する。制御装置１００が、パルスレーザ装置４を制御する。パルスレーザ装置４から出射されたパルスレーザビームＰ２が、１／２波長板５及びコリメータレンズ６を透過し、折り返しミラー７で反射されて、偏光ビームスプリッタ３に入射する。１／２波長板５は、パルスレーザビームＰ２を偏光ビームスプリッタ３に対するＰ偏光にする。
【００１４】
偏光ビームスプリッタ３は、Ｓ偏光を反射させ、Ｐ偏光を透過させる。偏光ビームスプリッタ３で反射されたパルスレーザビームＰ１と、偏光ビームスプリッタ３を透過したパルスレーザビームＰ２とが重畳される。制御装置１００によりトリガーディレイを与えることで、後述のダブルパルスを生成することができる。
【００１５】
折り返しミラー７は、ミラー駆動機構７１に保持されている。ミラー駆動機構７１が、折り返しミラー７の姿勢を変位させることにより、折り返しミラー７で反射されて偏光ビームスプリッタ３に入射するパルスレーザビームＰ２の進行方向が変化する。折り返しミラー７に基準姿勢が定められており、折り返しミラー７が基準姿勢であるとき、パルスレーザビームＰ２の中心軸がパルスレーザビームＰ１の中心軸と一致するように、偏光ビームスプリッタ３で両パルスレーザビームが重畳される。
【００１６】
コリメータレンズ６が、レンズ駆動機構６１に保持されている。レンズ駆動機構６１が、コリメータレンズ６を透過するパルスレーザビームＰ２の進行方向に平行な方向に、コリメータレンズ６を移動させる。パルスレーザビームＰ２の進行方向に平行な方向に関して、コリメータレンズ６の基準位置が定められており、基準位置に配置されたコリメータレンズ６により、パルスレーザビームＰ２は平行光にされる。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ３により重畳されたパルスレーザビームＰ１及びＰ２が、折り返しミラー８で反射されて、ホモジナイザ９に入射し、ホモジナイザ９を経たパルスレーザビームＰ１及びＰ２が、折り返しミラー１０で反射されて、ホモジナイザ９のホモジナイズ面９５に到達する。ホモジナイザ９は、ホモジナイズ面９５上で、パルスレーザビームＰ１及びＰ２の断面を一方向に長い長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づける。
【００１８】
ホモジナイズ面９５上にマスク１１が配置される。マスク１１は、ホモジナイズ面９５におけるパルスレーザビームＰ１及びＰ２のビーム断面よりも幅が太く長さが短い開口を有する遮光板から構成される。マスク１１の遮光板でパルスレーザビームＰ１及びＰ２のビーム断面の長尺方向の両端部分が遮られ、残りの部分（これをマスク透過部分と呼ぶこととする）が開口を透過する。
【００１９】
マスク１１を透過したパルスレーザビームＰ１及びＰ２が、結像レンズ１２を透過して基板１３に入射する。基板１３は、例えば、Ｂ、Ｐ等の不純物が表層部に添加されたシリコン基板である。結像レンズ１２は、ホモジナイズ面９５上のビーム断面のマスク透過部分を、基板１３の表面に結像させる。基板１３の表面上のビーム断面は、例えば長さが２．４ｍｍで幅が１４０μｍである。基板１３にレーザビームを入射させて表面を溶融させることにより、添加された不純物を活性化することができる。
【００２０】
ＸＹステージ１４が、基板１３を保持する。ＸＹステージ１４は、レーザビームが入射する基板表面に平行な方向に基板１３を移動させる。これにより、基板表面上のパルスレーザビームＰ１及びＰ２の入射位置が移動する。基板表面上の所望の位置にパルスレーザビームＰ１及びＰ２が入射するように、制御装置１００がＸＹステージ１４を制御する。
【００２１】
次に、図２及び図３を参照して、パルスレーザ装置１について詳しく説明する。図２に示すように、ミラー２１ａ〜２１ｄが光共振器２１を構成し、ミラー２１ａと２１ｄとが光共振器２１の両端を画定する。ミラー２１ａで反射された光が、ミラー２１ｂ及び２１ｃで順次反射されてミラー２１ｄに入射するように、ミラー２１ａ〜２１ｄが配置されている。ミラー２１ａから２１ｂまでの間に、レーザ媒質２２及びＱスイッチ２３が配置されている。レーザ媒質２２として、例えばＹＬＦロッドが用いられる。
【００２２】
励起源２５が、例えばダイオードレーザから構成される。励起源２５から入射したレーザビームによりレーザ媒質２２が励起される。励起源２５から出射されるレーザビームのパワーを、制御装置１００が制御する。
【００２３】
ミラー２１ｃから２１ｄまでの間に、波長変換素子２４が配置されている。波長変換素子２４として、非線形光学効果を有する結晶、例えばリチウムトリボレート（ＬｉＢ３Ｏ５）結晶（ＬＢＯ結晶）が用いられる。レーザ媒質２２から放出された基本波を波長変換素子２４に入射させることにより、この基本波の第２高調波を生成することができる。例えば、ＹＬＦロッドからなるレーザ媒質２２から波長１０５４ｎｍの基本波が放出され、波長変換素子２４で波長５２７ｎｍの第２高調波が生成される。
【００２４】
ミラー２１ｃは、基本波を反射させ第２高調波を透過させるダイクロイックミラーである。ミラー２１ｄは、基本波及び第２高調波の双方を反射させる。第２高調波は、ダイクロイックミラー２１ｃを透過して光共振器２１の外に出射されるので、ミラー２１ａ及び２１ｂには入射しない。ミラー２１ａ及び２１ｂは基本波を反射させる。
【００２５】
光共振器２１の品質因子Ｑが相対的に低い状態と相対的に高い状態（相対的に高い状態をオン状態と呼ぶこととする）とを、Ｑスイッチ２３が切り換える。オン状態で、レーザ媒質２２から誘導放出により基本波が出射され、基本波が波長変換素子２４で第２高調波に変換され、第２高調波がダイクロイックミラー２１ｃから光共振器２１の外に出射される。
【００２６】
制御装置１００がＱスイッチ２３に契機信号ｓｉｇを送出する。契機信号ｓｉｇにより所定の繰り返し周波数（例えば１ｋＨｚ）でＱスイッチ２３がオン状態にされ、所定の繰り返し周波数を有する第２高調波のパルスレーザビームＰ１がダイクロイックミラー２１ｃから出射される。
【００２７】
温度調節器２６が、波長変換素子２４の温度を変化させる。温度調節器２６として、例えばヒータが用いられる。なお、温度調節器２６として、ペルチエ素子等の加熱及び冷却の双方が可能なものを用いてもよい。波長変換素子２４が所望の温度となるように、制御装置１００が温度調節器２６を制御する。
【００２８】
光共振器２１の一端を画定するミラー２１ｄは、基本波及び第２高調波の双方を反射させるが、ミラー２１ｄを透過する漏れ光Ｐ１Ｌが存在する。漏れ光Ｐ１Ｌがフィルタ２７に入射する。フィルタ２７は、基本波を透過させず第２高調波を透過させる。フィルタ２７を透過した第２高調波が、フォトディテクタ２８に入射する。
【００２９】
フォトディテクタ２８は、入射光のパワーに対応する電気信号を生成してオシロスコープ２９に出力する。オシロスコープ２９により、入力された電気信号に基づいて、漏れ光Ｐ１Ｌの第２高調波成分のパルス幅が測定される。このパルス幅は、ダイクロイックミラー２１ｃから出射したパルスレーザビームＰ１のパルス幅と等しい。オシロスコープ２９で測定されたパルス幅に対応するデータが、制御装置１００に入力される。
【００３０】
ダイクロイックミラー２１ｃから出射したパルスレーザビームＰ１が、振り分け光学系３０に入射する。振り分け光学系３０は、パルスレーザビームＰ１を、コリメータレンズ２に入射する光路とパワーメータ３１に入射する光路とに振り分ける。振り分け光学系３０として、例えばガルバノミラーを用いることができる。制御装置１００が、振り分け光学系３０を制御する。パワーメータ３１は、入射したパルスレーザビームの平均パワーを測定する。パワーメータ３１で測定される平均パワーは、単位時間当たりにダイクロイックミラー２１ｃから出射するエネルギである。パワーメータ３１で測定された平均パワーに対応するデータが、制御装置１００に入力される。
【００３１】
図３は、ダイクロイックミラー２１ｃから出射するパルスレーザビームＰ１の平均パワーの波長変換素子２４の温度に対する依存性、及びパルスレーザビームＰ１のパルス幅の波長変換素子２４の温度に対する依存性を測定したデータの一例を示すグラフである。レーザ媒質２２はＹＬＦロッドであり、波長変換素子２４はＬＢＯ結晶である。グラフの横軸が華氏単位で表した波長変換素子２４の温度であり、グラフ左側の縦軸がＷ単位で表した平均パワーであり、グラフ右側の縦軸がｎｓ単位で表したパルス幅である。曲線Ｃ１が平均パワーの温度依存性を示し、曲線Ｃ２がパルス幅の温度依存性を示す。なお、励起源２５からレーザ媒質２２に供給されるパワーは一定である。
【００３２】
まず、平均パワーの温度依存性について説明する。平均パワーは、華氏３２４．５度付近で最大の２１．０Ｗとなっている。最大の平均パワーを最大パワーと呼ぶこととする。華氏３２３．０度〜３２５．８度の範囲（図中に示す範囲Ａ）は、常に最大パワーの９５％以上の平均パワーが得られる温度範囲である。範囲Ａより温度が高くなっても低くなっても、最大パワーの９５％より低い平均パワーしか得られない。
【００３３】
パルスレーザビームＰ１の平均パワーは、波長変換素子２４による基本波から第２高調波への変換効率に対応する。パルスレーザビームＰ１の平均パワーが高いほど第２高調波への変換効率が高く、平均パワーが低いほど第２高調波への変換効率が低い。第２高調波への変換効率が低下することにより、相対的に光共振器２１内の基本波のパワーが増加する。これに起因して、光共振器の損傷等が生じ得る。パルスレーザビームＰ１の出力を高水準に保ち、かつ装置の損傷を防止するために、波長変換素子２４の温度は範囲Ａ内に保つことが好ましい。
【００３４】
次に、範囲Ａ内におけるパルス幅の温度依存性について説明する。パルス幅は、範囲Ａ内で変化し、範囲Ａの両端付近で相対的に短く、範囲Ａの中央付近で相対的に長い。範囲Ａ内で最短のパルス幅は１５０ｎｓであり、華氏３２３．０度で得られる。範囲Ａ内で最長のパルス幅は１９５ｎｓであり、華氏３２４．５度付近で得られる。
【００３５】
以上より、最大パワーに近い水準の平均パワーが得られる温度範囲内で波長変換素子２４の温度を変化させることにより、高い水準の平均パワーを保ちかつ装置の損傷が抑制された状態でパルス幅を変化させられることがわかる。図２に示す例では、波長変換素子２４の温度を範囲Ａ内で変化させることにより、パルス幅を１５０ｎｓから１９５ｎｓまで変化させることができる。
【００３６】
なお、Ｑスイッチ２３が１回オン状態になっている期間中に、１つのレーザパルスが出射される。Ｑスイッチ２３がオン状態となる１回分の期間は、パルス幅より充分に長くなるように（例えば５μｓ程度）に設定されている。
【００３７】
次に、パルスレーザ装置１を用いたパルス幅の制御方法について説明する。まず、パルスレーザビームＰ１の平均パワーの波長変換素子２４の温度に対する依存性と、パルスレーザビームＰ１のパルス幅の波長変換素子２４の温度に対する依存性とを測定する。これらの測定データが、制御装置１００に記憶される。
【００３８】
次に、平均パワーの温度依存性に基づいて最大パワーを求め、最大パワーの一定割合以上を平均パワーの許容範囲（これをパワー許容範囲と呼ぶこととする）とする。パワー許容範囲の下限は、例えば最大パワーの９５％に設定される。また、平均パワーの温度依存性に基づいて、パワー許容範囲に対応する温度範囲が求められる。パワー許容範囲及びパワー許容範囲に対応する温度範囲が、制御装置１００に記憶される。
【００３９】
次に、所望のパルス幅（これを目標パルス幅と呼ぶこととする）が制御装置１００に入力される。制御装置１００は、パルス幅の温度依存性に基づき、目標パルス幅に対応する波長変換素子の温度を検出する。さらに、制御装置１００は、検出された目標パルス幅に対応する温度がパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれているかどうかを判定する。
【００４０】
検出された目標パルス幅に対応する温度がパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれている場合に、検出された目標パルス幅に対応する温度が目標温度として定められる。波長変換素子２４の温度が目標温度に制御されることにより、パルス幅が目標パルス幅となるように制御される。なお、検出された目標パルス幅に対応する温度がパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれていない場合は、制御装置１００が警告を発する。
【００４１】
なお、目標パルス幅に対応する波長変換素子の温度が複数個検出される場合もある。このような場合、複数個検出された温度のそれぞれがパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれるかどうか判定される。パワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれると判定された温度が複数個存在する場合は、そのうちいずれかを目標温度として選択することができる。例えば、パワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれると判定された温度のうち、最低のものを目標温度として選択することができる。
【００４２】
例えば、図３に示した平均パワー及びパルス幅の温度依存性について考える。最大パワーの９５％以上をパワー許容範囲としたとき、温度範囲Ａがパワー許容範囲に対応する温度範囲となる。目標パルス幅を１７０ｎｓとする。パルス幅１７０ｎｓに対応する温度として、範囲Ａ内に華氏３２３．４度及び華氏３２５．５度の２つが存在する。従って、例えば華氏３２３．４度を目標温度とすることができる。
【００４３】
なお、パルス幅の温度依存性に基づき、パワー許容範囲に対応する温度範囲内の温度で得られるパルス幅の範囲（これをパルス幅可変範囲と呼ぶこととする）を求めることができる。目標パルス幅はパルス幅可変範囲に含まれる必要がある。予めパルス幅可変範囲を求めておけば、この範囲から目標パルス幅を選択することができる。例えば図３に示したパルス幅の温度依存性では、パルス幅可変範囲が１５０ｎｓから１９５ｎｓまでとなる。
【００４４】
なお、以下のように、励起源２５からレーザ媒質２２に供給されるパワーを変化させることにより、パルスレーザビームＰ１の平均パワーを調整することもできる。励起源２５からレーザ媒質２２に入射するレーザビームのパワーを増加させると、パルスレーザビームＰ１のパワーを増加させることができ、励起源２５からレーザ媒質２２に入射するレーザビームのパワーを減少させると、パルスレーザビームＰ１のパワーを減少させることができる。
【００４５】
制御装置１００に、パルスレーザビームＰ１の所望の平均パワー（これを目標パワーと呼ぶこととする）が記憶されている。制御装置１００は、パルスレーザビームＰ１の測定された平均パワーを目標パワーと比較し、測定された平均パワーが目標パワーよりも低かった場合は、パルスレーザビームＰ１の平均パワーが目標パワーに近づくようにレーザ媒質２２に入射するレーザビームのパワーを増加させ、パルスレーザビームＰ１の測定された平均パワーが目標パワーよりも高かった場合は、パルスレーザビームＰ１の平均パワーが目標パワーに近づくようにレーザ媒質２２に入射するレーザビームのパワーを減少させる。このようにして、パルスレーザビームＰ１の平均パワーを調整することができる。
【００４６】
図３に示した平均パワー及びパルス幅の温度依存性を持つパルスレーザ装置について考える。例えば、パルス幅を１９５ｎｓとする場合（温度華氏３２４．５度）の平均パワーよりも、パルス幅を１５０ｎｓとする場合（温度華氏３２３．０度）の平均パワーの方がやや低い。上述のようにして平均パワーを調整することにより、パルス幅１５０ｎｓ及び１９５ｎｓの平均パワーを等しくすることができる。
【００４７】
パルスエネルギは、パルスエネルギ＝平均パワー／繰り返し周波数という式で定義され、また、パルスエネルギ＝パルス幅×ピークパワーという式で見積もることができる。例えば、平均パワー及び繰り返し周波数が一定という条件の下で（すなわちパルスエネルギが一定という条件の下で）パルス幅を変えることにより、レーザパルスのピークパワーを変化させることができる。パルス幅を長くすればピークパワーが減少し、パルス幅を短くすればピークパワーが増加する。
【００４８】
また例えば、パルス幅一定という条件の下でパルスエネルギを変えることにより、レーザパルスのピークパワーを変化させることができる。パルスエネルギが増加すればピークパワーも増加し、パルスエネルギが減少すればピークパワーも減少する。
【００４９】
なお、パルス幅の温度依存性は、光学部品の劣化等に起因して経時変化する可能性がある。このため、制御装置１００に記憶されたパルス幅の温度依存性（これを基準特性と呼ぶこととする）が測定された時点と、実際にパルスレーザビームを出射させる時点とが離れるに従い、パルス幅制御の精度が悪化することが懸念される。
【００５０】
以下、パルス幅の温度依存性が経時変化してもパルス幅を良好に制御できる方法について説明する。まず、上述のような方法により、基準特性に基づいて波長変換素子２４の目標温度を決定し、波長変換素子２４の温度を目標温度に制御する。ただし、パルス幅の温度依存性が経時変化するとき、目標温度におけるパルス幅は、目標パルス幅からずれている可能性がある。
【００５１】
次に、オシロスコープ２９により、目標温度におけるパルス幅を測定する。制御装置１００に、目標パルス幅を含むパルス幅の許容範囲を記憶させておく。制御装置１００は、目標温度におけるパルス幅が許容範囲内の値であるかどうかを判定する。パルス幅が許容範囲内であれば、波長変換素子２４の温度をそのまま維持する。
【００５２】
パルス幅が許容範囲から外れていたら、波長変換素子２４の温度を基準特性に基づいて求められた目標温度とする制御を解除し、充分に微小な量（例えば華氏０．１度）だけ波長変換素子２４の温度を上昇させて再びパルス幅を測定する。測定結果が目標パルス幅に近づいていたら、パルス幅が許容範囲内に収まるまで、さらに波長変換素子２４の温度を上昇させる。波長変換素子２４の温度を上昇させることによりパルス幅が目標パルス幅から離れる場合は、波長変換素子２４の温度を下降させることによりパルス幅を目標パルス幅に近づけて、パルス幅を許容範囲内に収めればよい。
【００５３】
このように、パルス幅の測定結果に基づき波長変換素子２４の温度を調整するフィードバック制御を行うことにより、パルス幅を目標パルス幅に近づけることができる。このようなフィードバック制御を行う場合の波長変換素子２４の初期の温度として、基準特性から決定される目標温度を用いることができる。
【００５４】
なお、温度を一定に維持していてもパルス幅が時間的に変動して許容範囲を外れる可能性もあるが、このような場合についてもパルス幅の測定結果に基づき波長変換素子２４の温度を調整するフィードバック制御を行うことにより、パルス幅を許容範囲内に維持することができる。
【００５５】
なお、必要に応じ、所定頻度で基準特性を測定し直して基準特性を更新してもよい。基準特性を測定した直後であれば、基準特性に基づいて決定された目標温度におけるパルス幅が、充分に目標パルス幅に近い。
【００５６】
以上説明したように、上述の構成のパルスレーザ装置１を用いれば、パルス幅及びピークパワーの制御されたパルスレーザビームＰ１を得ることができる。パルスレーザ装置４もパルスレーザ装置１と同様な構成を有し、パルス幅及びピークパワーの制御されたパルスレーザビームＰ２が得られる。
【００５７】
パルスレーザ装置１及び４として上述のような構成のものを用いれば、例えば、パルスレーザ装置１及び４のレーザ媒質が同一の材料から構成され、波長変換素子の含む非線形光学結晶が同一の材料から構成されている場合でも、パルスレーザ装置１及び４の生成するパルスレーザビームのパルス幅やピークパワーを相互に異ならせることができる。
【００５８】
なお、ＬＢＯ結晶と同様に、基本波から高調波への変換効率を温度により制御できる非線形光学結晶（温度位相整合が可能な非線形光学結晶）であれば、上述のパルスレーザ装置の波長変換素子として用いることができると考えられる。結晶の種類によってパルス幅の波長変換素子温度に対する依存性は異なると考えられるが、ＬＢＯ結晶の場合と同様に、一定水準以上の平均パワーを確保できる温度範囲内で波長変換素子の温度を変化させることにより、パルス幅を変化させることは可能であろう。
【００５９】
なお、上記実施例ではレーザ媒質としてＹＬＦを用いたが、他のレーザ媒質、例えばＹＡＧ等を用いることもできる。なお、上記実施例ではレーザ媒質の励起源としてダイオードレーザを用いたが、他の励起源、例えばフラッシュランプ等を用いることもできる。
【００６０】
次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照してホモジナイザ９について詳しく説明する。まず、パルスレーザビームＰ１が入射する場合について説明する。ホモジナイザ９に入射するパルスレーザビームＰ１の進行方向に平行なＺ軸を有するＸＹＺ直交座標系を考える。図４（Ａ）は、ＹＺ面に平行な断面図であり、図４（Ｂ）は、ＸＺ面に平行な断面図である。
【００６１】
図４（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をＸ軸と平行にし、かつＹ軸方向に配列し、ＸＹ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ９１Ａと９１Ｂが構成されている。シリンダアレイ９１Ａ及び９１Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はＸＺ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズが面対称に光を収束または発散させる対称面のことを意味する。シリンダアレイ９１Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ９１Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
【００６２】
図４（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をＹ軸と平行にし、かつＸ軸方向に配列し、ＸＹ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ９２Ａと９２Ｂが構成されている。シリンダアレイ９２Ａ及び９２Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はＹＺ面に平行である。シリンダアレイ９２Ａはシリンダアレイ９１Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ９２Ｂはシリンダアレイ９１Ａと９１Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ９１Ａと９１Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ９２Ａと９２Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。シリンダアレイ９１Ａ、９１Ｂ、９２Ａ及び９２Ｂを含んで、アレイレンズ９３が構成される。シリンダアレイ９１Ｂの後方に、収束レンズ９４が配置されている。収束レンズ９４の光軸は、Ｚ軸に平行である。
【００６３】
図４（Ａ）を参照して、パルスレーザビームＰ１のＹＺ面内に関する伝搬の様子を説明する。ＹＺ面内においては、シリンダアレイ９２Ａ及び９２Ｂは単なる平板であるため、光の収束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ９２Ａの左方からパルスレーザビームＰ１がシリンダアレイ９２Ａに入射する。パルスレーザビームＰ１は、例えば曲線Ｄｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００６４】
パルスレーザビームＰ１がシリンダアレイ９２Ａを透過し、シリンダアレイ９１Ａに入射する。パルスレーザビームＰ１は、シリンダアレイ９１Ａにより、各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図２（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線Ｄｙａ〜Ｄｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ９１Ａによって収束された光線束は、シリンダアレイ９１Ｂにより再度収束される。シリンダアレイ９１Ａで分割された光線束同士は、収束レンズ９４に入射するまで互いに平行に進行する。
【００６５】
シリンダアレイ９１Ｂにより収束した７つの収束光線束１８は、それぞれ収束レンズ９４の前方で焦点を結ぶ（ビーム断面を最小する）。この位置は、収束レンズ９４の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、収束レンズ９４を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となる。収束レンズ９４を透過した７つの光線束は、折り返しミラー１０で反射された後、ホモジナイズ面９５上で照射領域が一致するように重なり合う。
【００６６】
ホモジナイズ面９５を照射する７つの光線束のＹ軸方向に対応する方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布Ｄｙａ〜ＤｙｇをＹ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布ＤｙａとＤｙｇ、ＤｙｂとＤｙｆ、ＤｙｃとＤｙｅは、それぞれＹ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線ＤＨｙで示すように均一な分布に近づく。
【００６７】
図４（Ｂ）を参照して、パルスレーザビームＰ１のＸＺ面内に関する伝搬の様子を説明する。ＸＺ面内においては、シリンダアレイ９１Ａ及び９１Ｂは単なる平板であるため、光の収束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ９２Ａに入射するパルスレーザビームＰ１は、例えば曲線Ｄｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００６８】
パルスレーザビームＰ１が、シリンダアレイ９２Ａにより、各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図４（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線Ｄｘａ〜Ｄｘｇで示す光強度分布を有する。
【００６９】
各光線束は、シリンダアレイ９２Ｂの前方で焦点を結び（ビーム断面を最小とし）、発散光線束となってシリンダアレイ９２Ｂに入射する。シリンダアレイ９２Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、収束レンズ９４に入射する。シリンダアレイ９２Ａで分割された光線束同士は、収束レンズ９４に入射するまで互いに平行に進行する。収束レンズ９４を透過した７つの光線束はそれぞれ収束光線束となり、折り返しミラー１０で反射された後、ホモジナイズ面９５上で照射領域が一致するように重なり合う。ホモジナイズ面９５を照射する７つの光線束のＸ軸方向に対応する方向の光強度分布は、実線ＤＨｘで示すように均一な分布に近づく。
【００７０】
以上説明したようにして、ホモジナイズ面９５上のパルスレーザビームＰ１の断面がＹ軸方向に対応する方向に長くＸ軸方向に対応する方向に短い長尺形状にされるとともに、この断面内の光強度分布が均一に近づけられる。ホモジナイズ面９５上のビーム断面の長尺方向を長さ方向と呼び、短尺方向を幅方向と呼ぶこととする。
【００７１】
次に、パルスレーザビームＰ２が入射する場合について説明する。図１に示すコリメータレンズ６を基準位置に配置し、折り返しミラー７を基準姿勢としたとき、ホモジナイズ面９５上のパルスレーザビームＰ２のビーム断面も、パルスレーザビームＰ１のそれと同一の形状に整形され、両パルスレーザビームの断面が一致する。
【００７２】
コリメータレンズ６を基準位置に配置し、折り返しミラー７の姿勢を基準姿勢から変位させたとき、パルスレーザビームＰ２の進行方向がパルスレーザビームＰ１の進行方向からずれる。この進行方向のずれに伴って、ホモジナイズ面９５上のパルスレーザビームＰ２のビーム断面が、パルスレーザビームＰ１のビーム断面から幅方向に関してずれる。折り返しミラー７の姿勢の変位が微小であれば、ホモジナイズ面９５上のパルスレーザビームＰ２のビーム断面は、パルスレーザビームＰ１のビーム断面とほぼ合同である。
【００７３】
また、折り返しミラー７を基準姿勢とし、コリメータレンズ６を基準位置よりもパルスレーザ装置４に近づけたとき、コリメータレンズ６を透過したパルスレーザビームＰ２は発散光となってホモジナイザ９に入射する。このため、シリンダアレイ９１Ａ及び９２Ａで分割された光線束同士は、互いに離れるように進行して収束レンズ９４に入射し、ホモジナイズ面９５よりも後方で重なり合う。ホモジナイズ面９５上では、分割された光線束同士が部分的にしか重ならないので、パルスレーザビームＰ２のビーム断面が、パルスレーザビームＰ１のビーム断面よりも大きくなる。パルスレーザビームＰ２のビーム断面に、パルスレーザビームＰ１のビーム断面が内包される。
【００７４】
次に、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）を参照して、第２の実施例による不純物活性化方法について説明する。第２の実施例の方法では、図１に示すコリメータレンズ６が基準位置に配置され、折り返しミラー７が基準姿勢にされて、ホモジナイズ面９５上のパルスレーザビームＰ１及びＰ２のビーム断面が一致している。
【００７５】
基板１３に、パルスレーザビームＰ１の１つのパルスを入射させ、その直後にパルスレーザビームＰ２の１つのパルスを入射させる工程が、基板１３を一方向に移動させながら繰り返される。パルスレーザビームＰ１の１つのパルスと、その直後のパルスレーザビームＰ２の１パルスとを合わせて、ダブルパルスと呼ぶこととする。
【００７６】
基板１３の加工開始に先立って（基板１３に最初のレーザパルスを入射させる前に）、所望のパルス幅及びピークパワーのパルスレーザビームＰ１及びＰ２が得られるように、パルスレーザ装置１及び４が調整されている。
【００７７】
図５（Ａ）は、基板１３の表面におけるパルスレーザビームＰ１及びＰ２のパワーの時間変化を示すグラフであり、２回のダブルパルスの照射工程が示されている。横軸が時刻を示し、縦軸が光強度を示す。パルスレーザビームＰ１及びＰ２の周期は等しく、パルスレーザビームＰ１のパルスの直後にパルスレーザビームＰ２のパルスが入射するように、両パルスレーザビームの位相がずれている。パルスレーザビームＰ１とＰ２とが所望の位相差となるように、制御装置１００がパルスレーザ装置１及び４のＱスイッチを制御する。１つのダブルパルスにおいて、パルスレーザビームＰ１のパルスの基板１３への入射開始時刻から、パルスレーザビームＰ２のパルスの基板１３への入射開始時刻までの期間が遅延時間ＤＴである。
【００７８】
ダブルパルス内の１番目のレーザパルス（パルスレーザビームＰ１のパルス）により、基板１３の表面の温度を急激に上げて、基板表面を溶融させる。このために、１番目のレーザパルスのパルス幅Ｗ１を２００ｎｓ以下とすることが好ましく、１番目のレーザパルスの基板表面上のピークパワーＰＰ１を５０ｋＷ以上とすることが好ましい。
【００７９】
次に、ダブルパルス内の２番目のレーザパルス（パルスレーザビームＰ２のパルス）により、１番目のレーザパルスで上昇した基板表面の温度を高く維持して、不純物の活性化深さを深くする。このために、遅延時間ＤＴを１μｓ以内とすることが好ましく、２番目のレーザパルスのパルス幅Ｗ２を１００ｎｓ以上とすることが好ましく、２番目のレーザパルスの基板表面上のピークパワーＰＰ２を１０ｋＷ以上とすることが好ましい。なおパルス幅は、例えば半値幅で定義される。
【００８０】
２番目のレーザパルスのパルス幅Ｗ２は、基板表面の温度が高く維持される期間を伸ばすために、１番目のレーザパルスのパルス幅Ｗ１よりも長く設定される。また、２番目のレーザパルスの基板表面上のピークパワーＰＰ２は、基板表面の温度を高く維持するのに充分な強さであればよく、単独の照射で基板表面を溶融させるほどの強さを必要としないので、１番目のレーザパルスの基板表面上のピークパワーＰＰ１よりも低く設定することができる。なお、ピークパワーＰＰ２をピークパワーＰＰ１と等しくしても構わない。
【００８１】
また、１番目及び２番目のレーザパルスのパルスエネルギを等しくすることもできる。このとき、２番目のレーザパルスのパルス幅が１番目のレーザパルスのパルス幅よりも長ければ、それに対応して２番目のレーザパルスのピークパワーが１番目のレーザパルスのピークパワーよりも低くなる。
【００８２】
なお、ダブルパルス内の２番目のレーザパルスの基板１３への入射開始時刻を、１番目のレーザパルスの基板１３への入射開始時刻と同時とすることもできる。２番目のパルスのパルス幅Ｗ２が１番目のパルスのパルス幅Ｗ１よりも長いので、１番目のパルスを単独で照射する場合よりも、基板表面の温度が長い期間高く保たれる。
【００８３】
なお、ダブルパルス内の１番目のレーザパルスのパルス幅Ｗ１は２００ｎｓ以下が好ましいが、下限は５０ｎｓ程度である。１番目のレーザパルスのピークパワーＰＰ１は５０ｋＷ以上が好ましいが、上限は２００ｋＷ程度である。また、２番目のレーザパルスのパルス幅Ｗ２は１００ｎｓ以上が好ましいが、上限は５００ｎｓ程度である。第２のレーザパルスのピークパワーＰＰ２は１０ｋＷ以上が好ましいが、上限は１００ｋＷ程度である。
【００８４】
図５（Ｂ）は、２回のダブルパルス照射の期間における基板表面上のパルスレーザビームＰ１の入射領域の移動の様子を示す。基板表面上のパルスレーザビームＰ１のビーム断面の幅方向に基板１３を移動させることにより、基板表面でパルスレーザビームＰ１の入射領域を移動させる。入射領域Ａ１１及びＡ１２が、それぞれ、１回目及び２回目のダブルパルスにおけるパルスレーザビームＰ１のパルスの入射領域を示す。２回目の入射領域Ａ１２の縁を太線で示す。入射領域Ａ１１及びＡ１２はともに、例えば、長さが２．４ｍｍで幅が１４０μｍである。
【００８５】
入射領域Ａ１２が、その直前のダブルパルスにおけるパルスレーザビームＰ１のパルスの入射領域Ａ１１と、入射領域の移動方向（入射領域の幅方向）に関して重なりを持つように、基板１３の移動速度が設定されている。入射領域の全幅に対する重なり部分の割合は、例えば５０％である。例えば、パルスレーザビームＰ１の繰り返し周波数が１ｋＨｚであり、パルスレーザビームＰ１の基板表面における入射領域の幅が１４０μｍであり、入射領域の全幅に対する重なり部分の割合が５０％である場合には、基板１３の移動速度は７０ｍｍ／ｓとなる。このように、パルスレーザビームＰ１の入射領域同士が幅方向に重なりを持つようにしてダブルパルスの照射を繰り返すことにより、基板全面を走査できる。
【００８６】
図５（Ｃ）は、１回のダブルパルス照射における1番目のレーザパルス（パルスレーザビームＰ１）及び２番目のレーザパルス（パルスレーザビームＰ２）の入射領域を示す。入射領域Ａ１１及びＡ２１が、それぞれ、１番目及び２番目のレーザパルスの入射領域を示す。２番目のレーザパルスの入射領域Ａ２１の縁を破線で示す。２番目のレーザパルスの入射領域Ａ２１は、１番目のレーザパルスの入射領域Ａ１１と合同である。
【００８７】
基板１３が静止した状態では、基板表面上の1番目のレーザパルス及び２番目のレーザパルスの入射領域同士が一致する。基板１３の移動に伴い、１番目のレーザパルスの入射領域Ａ１１と２番目のレーザパルスの入射領域Ａ２１とがややずれる。しかし、例えば、基板１３の移動速度が７０ｍｍ／ｓであり、２番目のレーザパルスの１番目のレーザパルスに対する遅延時間ＤＴが１μｓである場合には、入射領域Ａ１１とＡ２１とのずれ幅は７０ｎｍとなり、例えば入射領域の幅１４０μｍに比べて非常に小さい。このような場合、１番目のレーザパルスの入射領域Ａ１１と２番目のレーザパルスの入射領域Ａ２１とはほぼ一致する。なお、入射領域は幅方向に移動するので、入射領域の長さ方向にはずれが生じない。
【００８８】
なお、上述のように、図１の折り返しミラー７の姿勢を基準姿勢から変位させれば、パルスレーザビームＰ２のビーム断面を幅方向に関してずらすことができる。基板１３の移動に伴うパルスレーザビームＰ１の入射領域Ａ１１とパルスレーザビームＰ２の入射領域Ａ２１とのずれが問題となる場合には、折り返しミラー７の姿勢を調整することにより、基板表面上のパルスレーザビームＰ１及びＰ２の入射領域Ａ１１及びＡ２１を一致させることができる。
【００８９】
次に、図６を参照して、第３の実施例による不純物活性化方法について説明する。図６は、１回のダブルパルス照射における１番目のレーザパルス（パルスレーザビームＰ１）及び２番目のレーザパルス（パルスレーザビームＰ２）の入射領域を示す。入射領域Ｂ１１及びＢ２１が、それぞれ、１番目及び２番目のレーザパルスの入射領域を示す。２番目のレーザパルスの入射領域Ｂ２１の縁を破線で示す。２番目のレーザパルスの入射領域Ｂ２１が、１番目のレーザパルスの入射領域Ｂ１１を内包する点が、第２の実施例の不純物活性化方法と異なる。他は第２の実施例と同様である。
【００９０】
第３の実施例では、図１に示すコリメータレンズ６を基準位置よりもパルスレーザ装置４の近くに配置することにより、ホモジナイズ面９５上で、パルスレーザビームＰ２のビーム断面を、パルスレーザビームＰ１のビーム断面を内包するような大きさに整形する。基板１３が静止した状態では、基板表面上のパルスレーザビームＰ２の入射領域内に、パルスレーザビームＰ１の入射領域が含まれる。
【００９１】
基板１３が移動しながら、パルスレーザビームＰ２のパルスがパルスレーザビームＰ１のパルスに対して遅延して基板１３に入射しても、パルスレーザビームＰ２の入射領域Ｂ２１の幅内にパルスレーザビームＰ１の入射領域Ｂ１１が配置されるように、制御装置１００が基板１３の移動速度を制御する。なお、マスク１１がビーム断面の長尺方向の両端部分を遮光しているので、入射領域Ｂ１１及びＢ２１の基板表面上の長さは一致している。
【００９２】
第３の実施例の方法では、ダブルパルス内の１番目のレーザパルスの入射領域Ｂ１１を内包するように、ダブルパルスの２番目のレーザパルスが照射されるので、１番目のレーザパルスが入射した領域全域の温度を高く維持できる。また、２番目のレーザパルスの入射領域の幅が１番目のレーザパルスの入射領域の幅よりも広いので、不純物が活性化される領域が、１番目のレーザパルスの入射領域より幅方向に拡大する効果も期待される。
【００９３】
以上説明したように、実施例によるレーザ照射装置及び不純物活性化方法を用いれば、半導体基板の表面に添加された不純物の活性化処理を行うことができ、ダブルパルスの照射により、活性化深さを深くすることができる。なお、不純物の活性化処理の対象となる基板全体が半導体で構成されている必要はない。例えば、ガラス基板上に半導体層が積層され、この半導体層の表層部に不純物が添加されているような対象物に対して不純物の活性化処理を行うこともできる。
【００９４】
実施例の不純物活性化方法では、ダブルパルス内の２番目のレーザパルスがパルスレーザ光源から出射されるため、ピークパワーを所望の高さにして、基板表面の温度を高く維持することが容易である。また、ダブルパルス内の２番目のレーザパルスのパルス幅が１番目のレーザパルスのそれよりも長いので、例えば、２番目のレーザパルスのパルス幅が1番目のレーザパルスのそれと等しい場合に比べて、基板表面の温度が高く維持される期間が長くなり、活性化深さをより深めることができる。
【００９５】
パルスレーザ装置が有する波長変換素子の温度制御により、パルス幅及びピークパワーが制御されたパルスレーザビームが得ることができる。このようなパルスレーザ装置を不純物活性化方法に用いることにより、ダブルパルス内の１番目及び２番目のレーザパルスのパルス幅及びピークパワーを、不純物活性化に適した条件とすることが容易となる。
【００９６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置の概略図である。
【図２】図２は、第１の実施例のレーザ照射装置が有するパルスレーザ装置の概略図である。
【図３】図３は、パルスレーザビームの平均パワーの波長変換素子の温度に対する依存性、及びパルスレーザビームのパルス幅の波長変換素子の温度に対する依存性を示すグラフである。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、第１の実施例のレーザ照射装置が有するホモジナイザの概略図である。
【図５】図５（Ａ）は、第２の実施例の不純物活性化方法において基板表面に照射されるパルスレーザビームＰ１及びＰ２のパワーの時間変化を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、第２の実施例の不純物活性化方法におけるパルスレーザビームＰ１の入射領域の移動の様子を示す基板１３の平面図であり、図５（Ｃ）は、第２の実施例の不純物活性化方法におけるパルスレーザビームＰ１及びＰ２の入射領域を示す基板１３の平面図である。
【図６】図６は、第３の実施例の不純物活性化方法におけるパルスレーザビームＰ１及びＰ２の入射領域を示す基板１３の平面図である。
【符号の説明】
【００９８】
１、４  パルスレーザ装置
Ｐ１、Ｐ２  パルスレーザビーム
２、６  コリメータレンズ
３  偏光ビームスプリッタ
５  １／２波長板
７  折り返しミラー
６１  レンズ駆動機構
７１  ミラー駆動機構
１００  制御装置
８、１０  折り返しミラー
９  ホモジナイザ
９５  ホモジナイズ面
１１  マスク
１２  結像レンズ
１３  基板
１４  ＸＹステージ
２１  光共振器
２１ａ、２１ｂ、２１ｄ  ミラー
２１ｃ  ダイクロイックミラー
２２  レーザ媒質
２３  Ｑスイッチ
２４  波長変換素子
２５  励起源
２６  温度調節器
２７  フィルタ
２８  フォトディテクタ
２９  オシロスコープ
３０  振り分け光学系
３１  パワーメータ
【図１】
2008041868.tif 000003
【図２】
2008041868.tif 000004
【図３】
2008041868.tif 000005
【図４】
2008041868.tif 000006
【図５】
2008041868.tif 000007
【図６】
2008041868.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成18年8月24日(2006.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
また、特許文献１が開示する他の実施例の不純物活性化方法（特許文献１の図７（Ｂ）、段落［０１０２］〜［０１０６］参照）では、表面に不純物が添加された半導体基板に、パルスレーザ光源から出射された３つ以上のレーザパルスが照射される。あるレーザパルスの照射期間中または照射終了後に次のレーザパルスが照射される。１つ目のレーザパルスの照射により、不純物の活性化が開始し、２つ目以後のレーザパルスの照射により、１つ目のレーザパルスの照射で上昇した基板表面の温度が高い状態に維持されて、不純物の活性化が基板の深い位置にまで及ぶ。照射される各レーザパルスのパルス幅は、例えば１００ｎｓである。
【特許文献１】特開２００５−１３６２１８号公報