(57)【要約】【課題】装置の高価格化を抑制し、種々の強度分布を持つ像を形成することが可能なレーザ合成装置を提供する。【解決手段】複数のレーザ光源から出力されたレーザビームがそれぞれ複数のプロファイル整形器に入射する。複数のプロファイル整形器は、相互に異なる強度分布を持つ像を形成する。重ね合わせ光学系が、複数のプロファイル整形器のそれぞれによって得られた複数の像を共通の像面上に重ね合わせる。【選択図】図１
2022000313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザ光源から出力されたレーザビームがそれぞれ入射し、相互に異なる強度分布を持つ像を形成する複数のプロファイル整形器と、
前記複数のプロファイル整形器のそれぞれによって得られた複数の像を共通の像面上に重ね合わせる重ね合わせ光学系と
を有するレーザビーム合成装置。
【請求項２】
前記重ね合わせ光学系は、
前記複数のプロファイル整形器に対応して配置された複数のフィールドレンズと、
前記複数のフィールドレンズを通過したレーザビームが入射するコンデンサレンズと
を有し、
前記複数のフィールドレンズ及び前記コンデンサレンズは、前記複数のプロファイル整形器のそれぞれによって形成された複数の像を、前記像面上に無限共役結像させる請求項１に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項３】
前記複数のプロファイル整形器の各々は回折光学素子である請求項１に記載のレーザビーム合成装置。
【請求項４】
各々を重ね合わせることによって目標とする強度分布が得られる複数の個別強度分布を決定し、
前記複数の個別強度分布を持つ像をそれぞれ形成する複数の回折光学素子を作製し、
前記複数の回折光学素子でそれぞれ形成された前記複数の個別強度分布を持つ像を重ね合わせることによって、前記目標とする強度分布を持つ像を得る像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム合成装置及び像形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハのレーザアニールにおいて、加工面におけるレーザビームのビームプロファイルが、加工品質に大きな影響を及ぼす。このため、所望のアニールを行うには、加工面におけるビームプロファイルを所望のプロファイルに調整することが望まれる。従来、レーザ発振器から出力されたレーザビームをアパーチャマスクに入射させ、アパーチャマスクを加工面に結像させることにより、加工面におけるレーザビームのビーム断面を整形している。
【０００３】
近年は、半導体製造プロセスを応用した精密な回折光学素子（英語表記の頭文字をとって「ＤＯＥ」という場合がある。）が製作されるようになり、回折光学素子を用いて様々なビームプロファイルを生成することが可能になっている。
【０００４】
なお、下記の特許文献１に，シリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズとを組み合わせたビームホモジナイザは開示されている。このビームホモジナイザにおいては、複数のシリンドリカルレンズを通過したレーザビームをコンデンサレンズで重ね合わせることにより、ビームプロファイルを均一化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３５６２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アパーチャマスクでビーム断面を整形する方法では、複雑な光強度分布を持つ像を形成することが困難である。回折光学素子を用いる方法では、様々な強度分布を持つ像を形成することができるが、像面の強度分布が複雑になるに従って、回折光学素子の設計及び製造が困難になる。その結果、回折光学素子を搭載した装置の価格が上昇してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、装置の高価格化を抑制し、種々の強度分布を持つ像を形成することが可能なレーザ合成装置及び像形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によると、
複数のレーザ光源から出力されたレーザビームがそれぞれ入射し、相互に異なる強度分布を持つ像を形成する複数のプロファイル整形器と、
前記複数のプロファイル整形器のそれぞれによって得られた複数の像を共通の像面上に重ね合わせる重ね合わせ光学系と
を有するレーザビーム合成装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によると、
各々を重ね合わせることによって目標とする強度分布が得られる複数の個別強度分布を決定し、
前記複数の個別強度分布を持つ像をそれぞれ形成する複数の回折光学素子を作製し、
前記複数の回折光学素子でそれぞれ形成された前記複数の個別強度分布を持つ像を重ね合わせることによって、前記目標とする強度分布を持つ像を得る像形成方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
複雑な強度分布を持つ像を、より単純な強度分布を持つ複数の像を重ね合わせて形成することができる。重ね合わせる複数の像の各々の強度分布を、重ね合わせ後の像の強度分布より単純なものにすれば、プロファイル整形器を単純化し、プロファイル整形器の低コスト化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一実施例によるレーザ合成装置の概略斜視図である。
【図２】図２は、本実施例によるレーザ合成装置の光学部品の位置関係を示す図である。
【図３】図３は、本実施例による像形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】図４は、３個の像を重ね合わせて１つの像を形成する例を示す図である。
【図５】図５は、３個の像を重ね合わせて１つの像を形成する他の例を示す図である。
【図６】図６は、他の実施例によるレーザ合成装置の光学部品の位置関係を示す図である。
【図７】図７は、さらに他の実施例によるレーザアニール装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１〜図３を参照して、一実施例によるレーザ合成装置について説明する。
図１は、本実施例によるレーザ合成装置１０の概略斜視図である。本実施例によるレーザ合成装置１０は、２台のレーザ光源１１Ａ、１１Ｂを有する。レーザ光源１１Ａ、１１Ｂとして、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振器、レーザダイオード等を用いることができる。２台のレーザ光源１１Ａ、１１Ｂから出力された２本のレーザビームが、それぞれ回折光学素子１２Ａ、１２Ｂ、フィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂを経由して共通のコンデンサレンズ１５の異なる位置に入射する。回折光学素子は、光の回折現象を利用してレーザビームを空間的に分岐させ、種々の光照射パターンを形成することが可能な素子である。回折光学素子１２Ａ、１２Ｂで回折されたレーザビームによって、それぞれ像５０Ａ、５０Ｂが形成される。フィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂ、及びコンデンサレンズ１５は、２つの像５０Ａ、５０Ｂを共通の像面上に重ね合わせることにより、像５１を形成する。
【００１３】
図２は、本実施例によるレーザ合成装置１０の光学部品の位置関係を示す図である。レーザ光源１１Ａ、１１Ｂ（図１）からそれぞれ出力されたレーザビーム１７Ａ、１７Ｂが回折光学素子１２Ａ、１２Ｂに入射する。回折光学素子１２Ａ、１２Ｂに入射するレーザビーム１７、１７Ｂのビーム径及びビームプロファイルは、回折光学素子１２Ａ、１２Ｂの設計仕様を満たすように設定される。レーザビーム１７Ａ、１７Ｂは、例えばガウシアンビームである。
【００１４】
レーザビーム１７Ａが回折光学素子１２Ａで回折されて像面５５上に像５０Ａを形成する。像５０Ａの外形は、例えば正方形である。同様に、他方のレーザビーム１７Ｂが回折光学素子１２Ｂで回折されて像面５５上に像５０Ｂを形成する。像５０Ｂの外形は、例えば円形ある。像面５５は、空間上の仮想的な平面であり、像面５５に、像５０Ａや像５０Ｂを映し出すプロジェクタスクリーンのようなものが配置されているわけではない。像面５５の位置は、回折光学素子１２Ａ、１２Ｂの設計仕様によって決定される。像５０Ａ、５０Ｂの強度分布（像面上のビームプロファイル）は、例えば均一である。回折光学素子１２Ａ、１２Ｂは、所望の像面強度分布を持つ像を形成するためのプロファイル整形器としての機能を有する。
【００１５】
フィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂ、及びコンデンサレンズ１５が、像５０Ａ、５０Ｂを像面５６上に重ね合わせて無限共役結像させる。すなわち、像面５５上の物点は、フィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂの無限遠像点の共役点（前側焦点）であり、像面５６上の像点は、コンデンサレンズ１５の無限遠物点の共役点（後側焦点）である。２つのフィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂの各々の光軸、及びコンデンサレンズ１５の光軸は相互に平行である。フィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂ、及びコンデンサレンズ１５は、２つの像５０Ａ、５０Ｂを重ね合わせる重ね合わせ光学系としての機能を有する。
【００１６】
２つの像５０Ａ、５０Ｂが重ね合わされることによって形成された像５１の像面強度分布は、一方の像５０Ａの像面強度分布と、他方の像５０Ｂの像面強度分布とを重ね合わせた分布になる。像面５６の位置に、レーザ加工を行う対象物が配置される。
【００１７】
次に、図３を参照して、所望の像面強度分布を持つ像５１を形成する像形成方法について説明する。
【００１８】
図３は、本実施例による像形成方法の手順を示すフローチャートである。まず、像面５６（図２）における目標とする強度分布を決定する（ステップＳ１）。レーザ加工の目的、加工対象物等によって最適な強度分布が異なる。この最適な強度分布を目標とする強度分布にすればよい。次に、各々を重ね合わせることによって目標とする強度分布が得られる複数の個別強度分布を決定する（ステップＳ２）。複数の個別強度分布の各々は、目標とする強度分布に比べて単純なものとする。すなわち、複雑な強度分布を、それよりも単純な複数の個別強度分布の重ね合わせで表す。複数の個別強度分布は、像５０Ａ、５０Ｂ（図１、図２）の像面強度分布に相当する。次に、２つの個別強度分布を持つ像５０Ａ、５０Ｂ（図２）が形成されるように、個別強度分布ごとに回折光学素子１２Ａ、１２Ｂ（図２）を設計する（ステップＳ３）。回折光学素子１２Ａ、１２Ｂの設計には、従来の公知の方法を適用することができる。設計が完了すると、設計された２つの回折光学素子１２Ａ、１２Ｂを作製する（ステップＳ４）。
【００１９】
２つの回折光学素子１２Ａ、１２Ｂを作製した後、作製された２つの回折光学素子１２Ａ、１２Ｂを、図１及び図２に示したレーザ合成装置１０の回折光学素子１２Ａ、１２Ｂとして採用する。このレーザ合成装置１０を用いて、２つの回折光学素子１２Ａ、１２Ｂによる像５０Ａ、５０Ｂを重ね合わせることにより、目標とする強度分布を持つ像５１を形成する（ステップＳ５）。
【００２０】
次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
レーザ穴明け加工において、形成すべき穴の平面視における形状が複雑である場合、ビームスポットの形状も穴の形状に応じて複雑にしなければならない。穴明けすべき対象物が複数の材料からなる複合材である場合、高品質の穴を形成するために、材料に応じて複雑な強度分布が求められる場合がある。半導体ウエハに添加したドーパントの活性化アニールを行う場合、レーザビームの入射時における半導体ウエハ表面の温度分布を均一にするために、複雑な強度分布が求められる場合がある。
【００２１】
目標とする強度分布が複雑である場合、この強度分布を持つ像を１枚の回折光学素子で形成しようとすると、回折光学素子の設計及び製造が困難になる。上記実施例では、複雑な強度分布を、より単純な複数の個別強度分布の重ね合わせで表し、複数の個別強度分布ごとに回折光学素子を設計し、製造すればよい。このため、回折光学素子の設計及び製造が容易になるという優れた効果が得られる。
【００２２】
例えば、円形、矩形、長尺形状等で強度分布が均一な像を形成する回折光学素子は、比較的安価に入手することができる。これらの回折光学素子の像を重ね合わせて、より複雑な強度分布を持つ像を形成することが可能である。
【００２３】
次に、図４及び図５を参照して、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、２つの回折光学素子１２Ａ、１２Ｂで形成された２つの像５０Ａ、５０Ｂ（図２）を重ね合わせているが、３個以上の回折光学素子で形成された３個以上の像を重ね合わせてもよい。重ね合わせる像の数を増やすことにより、より複雑な強度分布を持つ像を形成することが可能になる。
【００２４】
図４は、３個の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを重ね合わせて１つの像５１を形成する例を示す図である。像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃは、直径が異なる円形の像である。３つの像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの像面における強度分布５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは均一である。この３つの像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを同心円状に重ね合わせることにより、像５１が得られる。像５１の半径方向の強度分布５３は、強度分布５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを重ね合わせた分布となる。このため、強度分布５３は、外周線から中心に向かって階段状に高くなる形状を有する。このように、個別の１つの像５０Ａの内部に他の２つの個別の像５０Ｂ、５０Ｃを配置することにより、より複雑な強度分布５３を実現することができる。
【００２５】
像５０Ｂ、５０Ｃを、太さが異なる円環状にし、外周線を像５０Ａの外周線に一致させることにより、外周部から中心に向かって強度が階段状に低下する強度分布を持つ像５１を形成することも可能である。
【００２６】
図５は、３個の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを重ね合わせて１つの像５１を形成する他の例を示す図である。像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃは、一方向に長い長尺形状であり、像面５６（図２）に重ね合わせたときの個々の像の長手方向の向きが異なっている。２つの像の長手方向のなす角度は６０°である。この３つの像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを重ね合わせることにより、アスタリスク状の像５１が得られる。このように、３つの個別の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを重ね合わせることにより、３つの個別の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのいずれとも外形の異なる像５１を形成することができる。
【００２７】
３個の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの各々の長手方向の強度分布が均一である場合、重ね合わされた像５１の強度は、３個の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃが重なっている領域において、他の領域より高くなる。像５１の強度分布を均一にしたい場合には、３個の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃの各々の重なり合う領域の強度を、他の領域の強度の１／３にすればよい。１つの像５０Ａの強度分布を均一にし、他の２つの像５０Ｂ、５０Ｃの各々の重なり合う領域の強度をゼロにしてもよい。この場合、像５０Ｂ、５０Ｃの各々は、１本の長尺形状の像を長手方向の中心で切断した形状を有することになる。
【００２８】
像面の強度分布や外形が複雑な像５１（図４、図５）を１枚の回折光学素子で形成しようとすると、回折光学素子の設計及び作製が困難になる。さらに、このような回折光学素子は高価である。これに対して強度分布が均一の円形の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ（図４）や、長尺の像５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ（図５）を形成する回折光学素子は、容易に設計し作製することができる。このような回折光学素子は、複雑な像を形成する回折光学素子より安価に入手することができる。
【００２９】
このように、上記実施例またはその変形例によるレーザ合成装置により、設計及び作製が困難な回折光学素子を用いることなく、複雑な像面強度分布を有する像を形成することができる。さらに、レーザ合成装置のコスト上昇を抑制することができる。
【００３０】
次に、図６を参照して、他の実施例によるレーザ合成装置について説明する。以下、図１〜図３に示した実施例によるレーザ合成装置と共通の構成については説明を省略する。
【００３１】
図６は、本実施例によるレーザ合成装置の光学部品の位置関係を示す図である。本実施例では、図２に示した実施例の２つの回折光学素子１２Ａ、１２Ｂのうち一方の回折光学素子１２Ｂの代わりに、非球面レンズ２１及びアパーチャ２２が配置されている。非球面レンズ２１にガウシアンビームが入射し、非球面レンズ２１は、像面５５における強度分布を均一化する。像面５５の位置にアパーチャ２２が配置されており、アパーチャ２２は、ビーム断面の外形を円形に整形する。これにより、図２に示した実施例と同様に、像面５５の位置に、強度分布が均一な円形の像５０Ｂが形成される。
【００３２】
次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、回折光学素子１２Ａの設計及び作製を容易に行うことができる。また、像５０Ｂに求められる強度分布によっては、本実施例のように回折光学素子を用いる必要がない場合もある。この場合には、プロファイル整形器として、回折光学素子以外の光学部品、例えば、本実施例のように非球面レンズ２１とアパーチャ２２とを用いることも可能である。また、プロファイル整形器として、ビームエキスパンダとアパーチャとを用いてもよい。この場合には、像面５５の位置に、強度分布がガウス分布である像が形成される。プロファイル整形器として、回折光学素子に限定することなく、種々の光学部品を用いることにより、装置構成の自由度を高めることができる。その結果、さらなるコスト低減を図ることが可能になる。
【００３３】
次に、図７を参照して、上記実施例によるレーザ合成装置を搭載したレーザアニール装置について説明する。
【００３４】
図７は、上記実施例によるレーザ合成装置を搭載したレーザアニール装置の概略図である。チャンバ３０内に移動機構３１が配置されており、移動機構３１によってアニール対象の基板３５が支持されている。移動機構３１は、制御装置４０からの制御により、基板３５を水平な二方向に移動させる。基板３５の上方のチャンバ３０の壁面にレーザ透過窓３２が取り付けられている。
【００３５】
レーザ合成装置１０が、図１〜図３に示した実施例によるレーザ合成装置１０と同様に、２つのレーザ光源１１Ａ、１１Ｂ、２つの回折光学素子１２Ａ、１２Ｂ、２つのフィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂ、及び１つのコンデンサレンズ１５を含む。さらに、２つのフィールドレンズ１３Ａ、１３Ｂとコンデンサレンズ１５との間のレーザビームの経路に折り返しミラー１６が配置されている。レーザ合成装置１０から出力されたレーザビームが、レーザ透過窓３２を通ってチャンバ３０内の基板３５に入射する。コンデンサレンズ１５の像面５６（図２）が、基板３５の表面の位置に一致する。基板３５の表面に、合成された像５１（図２）が形成される。
【００３６】
制御装置４０が、レーザ光源１１Ａ、１１Ｂ、及び移動機構３１を制御する。例えば、制御装置４０は、レーザ光源１１Ａ、１１Ｂからパルスレーザビームを同期させて出力させる。さらに、移動機構３１を制御して基板３５を移動させることにより、基板３５に対してパルスレーザビームのビームスポットを、基板３５の表面上で移動させる。第１方向へのビームスポットの走査と、第１方向と直交する第２方向への副走査とを繰り返すことにより、基板３５の表面のほぼ全域にパルスレーザビームを入射させる。これにより、基板３５のレーザアニールが行われ、基板３５に注入されているドーパントが活性化される。
【００３７】
次に、図７に示したレーザアニール装置の優れた効果について説明する。
図７に示したレーザアニール装置に、図１〜図３に示した実施例によるレーザ合成装置１０が用いられているため、基板３５の表面に、複雑な強度分布を持つ像を形成することができる。基板３５のアニールに求められる温度条件等により、種々の好適な強度分布を実現することが可能になる。複雑な強度分布を実現する場合にも、レーザ合成装置１０のコスト上昇を抑制することが可能になる。
【００３８】
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例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。
【符号の説明】
【００３９】
１０  レーザ合成装置
１１Ａ、１１Ｂ  レーザ光源
１２Ａ、１２Ｂ  回折光学素子
１３Ａ、１３Ｂ  フィールドレンズ
１５  コンデンサレンズ
１６  折り返しミラー
１７Ａ、１７Ｂ  レーザビーム
２１  非球面レンズ
２２  アパーチャ
３０  チャンバ
３１  移動機構
３２  レーザ透過窓
３５  基板
４０  制御装置
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ  回折光学素子による像
５１  重ね合わされた像
５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５３  像面における強度分布
５５  回折光学素子の像面
５６  コンデンサレンズの像面
【図１】
2022000313.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】
2022000313.tif 000008
【図７】
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