(57)【要約】レーザドーピング装置は、ドーピング領域に対して、ドーパントを含む溶液を供給する溶液供給システムと、溶液を透過し、複数個のパルスを含むパルスレーザ光を出力するパルスレーザシステムと、ドーピング領域に対して照射されるパルスレーザ光のパルス数と、ドーピング領域におけるパルスレーザ光のフルーエンスとを制御する第１制御部と、パルスが照射される毎に溶液内に発生する気泡を、ドーピング領域から移動させるように溶液の流速を制御する第２制御部と、備える。
2017163356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の多結晶シリコンにドーパントをドーピングするレーザドーピング装置において、
前記ドーピングを行うドーピング領域に対して、前記ドーパントを含む溶液を供給する溶液供給システムと、
前記溶液を透過し、前記ドーピング領域に照射されることにより、前記ドーピング領域の多結晶シリコンを溶融させるパルスレーザ光であって、複数個のパルスを含むパルスレーザ光を出力するパルスレーザシステムと、
前記パルスレーザシステムが出力する前記パルスレーザ光を、前記ドーピング領域に導光する光学系と、
前記ドーピング領域に対して照射される前記パルスレーザ光のパルス数と、前記ドーピング領域における前記パルスレーザ光のフルーエンスとを制御する第１制御部と、
前記パルスが照射される毎に前記溶液内に発生する気泡を、前記ドーピング領域から移動させるように前記溶液の流速を制御する第２制御部と、備えるレーザドーピング装置。
【請求項２】
１パルス当たりの前記フルーエンスをＦＬとすると、前記フルーエンスＦＬの範囲は、３３０ｍＪ／ｃｍ2≦ＦＬ≦４３０ｍＪ／ｃｍ2である請求項１に記載のレーザドーピング装置。
【請求項３】
前記パルス数をＮとすると、前記パルス数Ｎの範囲は、２≦Ｎ≦２０である請求項１に記載のレーザドーピング装置。
【請求項４】
前記ドーピング領域に照射される前記パルスレーザ光のビーム幅であって、前記ドーパントを含む溶液が流れる方向のビーム幅をＷ、前記パルスレーザ光における単位時間当たりの前記パルス数である繰り返し周波数をＰＦとしたときに、
前記ドーピング領域にドーパントを流す流速Ｖの範囲は、Ｗ×ＰＦ≦Ｖ≦２０ｍ／ｓである請求項１に記載のレーザドーピング装置。
【請求項５】
前記パルスレーザ光の中心波長は、１９３ｎｍから３５５ｎｍの範囲内である請求項１に記載のレーザドーピング装置。
【請求項６】
前記溶液は、リン酸水溶液、ホウ酸溶液、及び塩化アルミ水溶液のうちのいずれかである請求項１に記載のレーザドーピング装置。
【請求項７】
前記溶液供給システムは、前記ドーピング領域に対して前記溶液を供給する供給ポンプを含み、
前記供給ポンプによって、前記ドーピング領域において前記ドーパントを含む溶液の流れを生じさせる請求項１に記載のレーザドーピング装置。
【請求項８】
前記光学系は、前記ドーピング領域を含む所定領域に前記パルスレーザ光を導光する請求項１に記載のレーザドーピング装置。
【請求項９】
前記基板において、前記所定領域はライン状に形成されており、
前記基板を前記所定領域のライン方向に移動させるステージを備えている請求項８に記載のレーザドーピング装置。
【請求項１０】
前記光学系は、前記パルスレーザ光を、光軸と直交する断面が矩形状の矩形ビームに変換し、変換した矩形ビームを前記所定領域に導光する請求項９に記載のレーザドーピング装置。
【請求項１１】
前記光学系は、前記パルスレーザ光を、複数のスポットビームが配列されたアレイビームに変換し、変換したアレイビームを前記所定領域に導光する請求項９に記載のレーザドーピング装置。
【請求項１２】
前記ドーピング領域に対して前記パルスレーザ光が照射された後、前記ドーピング領域を洗浄する洗浄装置を備える請求項８に記載のレーザドーピング装置。
【請求項１３】
半導体にドーパントをドーピングして半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
前記半導体上に一層以上の膜を形成する第１工程と、
前記膜が形成された領域のうち、前記ドーピングを行うドーピング領域に形成された前記膜を部分的に除去する第２工程と、
前記ドーピング領域を含む半導体に対して、ドーパントを含む溶液を流す第３工程と、
前記第３工程を実行中に、前記ドーパントを含む溶液を透過し、前記ドーピング領域に照射されることにより、前記ドーピング領域の前記半導体を溶融させるパルスレーザ光であって、複数個のパルスを含むパルスレーザ光を照射する第４工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記膜は、絶縁膜を含む一層以上の膜である請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記膜は、前記絶縁膜に加えて金属膜を含む請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記半導体は、ガラス製又は樹脂製の基板上に形成される請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記半導体は、アモルファスシリコンに対してエキシマレーザによるアニール処理が施されることにより結晶化された多結晶シリコン、又は酸化金属半導体である請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記金属膜はゲート電極膜であって、
前記ゲート電極膜の材料は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ａｕのいずれかである請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記溶液は、リン酸水溶液、ホウ酸溶液、及び塩化アルミニウム水溶液のうちのいずれかである請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザドーピング装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）には、基板上に薄膜トランジスタ(ＴＦＴ：Thin Film Transistor)が形成されたＴＦＴ基板が使用されている。液晶ディスプレイにおいて、ＴＦＴは、液晶セルで構成される画素を駆動するスイッチング素子として機能する。【０００３】
ＴＦＴ基板としては、ガラス基板を使用するものが一般的であるが、樹脂製のフレキシブル基板を使用するものも開発されている。ＴＦＴ材料としては、アモルファスシリコン(ａ−Ｓｉ)や多結晶シリコン(ｐｏｌｙ−Ｓｉ)が使用されている。多結晶シリコンはアモルファスシリコンよりもキャリア移動度が２桁程高いため、多結晶シリコンを使用することで、ＴＦＴ特性が大幅に向上することが知られている。【０００４】
多結晶シリコンは、ドーパント（不純物）を注入するドーピングによりｎ型又はｐ型の半導体を形成することが可能である。ドーピング方法としては、例えば、イオン注入と高温活性化処理とを行うイオン注入によるドーピング方法がある。イオン注入は、ドーパントをイオン化して注入するプロセスであり、高真空状態としたチャンバ内で行われる高真空プロセスである。高温活性化処理は、注入したドーパントを拡散させるための処理であり、基板の温度が４００℃から約１０００℃以上に達する高温プロセスである。【０００５】
柔軟で、かつ、融点が低いフレキシブル基板は、高真空プロセス及び高温活性化処理のどちらのプロセスにも耐えられないため、フレキシブル基板に対してイオン注入によるドーピング方法を採用することは難しい。また、ガラス基板を使用する場合も、高温プロセスに耐えられる耐熱ガラス基板が必要となるため、耐熱ガラス基板よりも融点が低い通常のガラス基板に対して、イオン注入によるドーピング方法を採用することは難しい。【０００６】
下記の非特許文献１及び特許文献１〜５には、比較的融点が低い基板に対してもドーピングが可能なレーザ照射によるドーピング方法が開示されている。レーザ照射によるドーピング方法では、まず、多結晶シリコンのドーピングを行うドーピング領域に対してドーパントを含む溶液が供給される。ドーパントを含む溶液の供給方法としては、基板上の多結晶シリコンの表面にドーパントを含む溶液を塗布する方法や、ドーパントを含む溶液が貯留された容器内に多結晶シリコンが形成された基板を浸す方法がある。【０００７】
次に、ドーパントを含む溶液が供給された状態で、多結晶シリコンに向けてパルスレーザ光が照射される。パルスレーザ光はドーパントを含む溶液を透過して多結晶シリコンに到達する。パルスレーザ光の照射により多結晶シリコンが溶融される。多結晶シリコンが溶融されることにより、ドーパントを含む溶液に含まれるドーパントの注入と、注入されたドーパントが多結晶シリコン内で拡散する活性化処理とが同時に行われる。このように、レーザ照射によるドーピング方法では、低温プロセスでドーピングが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Koji  Nishi,  Akihiro  Ikeda,  Hiroshi  Ikenoue,  and  Tanemasa  Asano,  Phosphorus  doping  into  4H-SiC  by  Irradiation  of  Excimer  Laser  in  Phosphoric  Solution,  Japanese  Journal  of  Applied  Physics  52  (2013)
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４４０９２３１号公報
【特許文献２】特許第４３８７０９１号公報
【特許文献３】特開２０１４−１３９９９１号公報
【特許文献４】特開２０１２−１２４３６６号公報
【特許文献５】特開２０１２−２４３８１８号公報
【概要】
【００１０】
本開示の１つの観点に係るレーザドーピング装置は、基板上の多結晶シリコンにドーパントをドーピングするレーザドーピング装置において、溶液供給システム、パルスレーザシステム、光学系、第１制御部、及び第２制御部と、備える。溶液供給システムは、ドーピングを行うドーピング領域に対して、ドーパントを含む溶液を供給し排出する。パルスレーザシステムは、溶液を透過し、ドーピング領域に照射されることにより、ドーピング領域の多結晶シリコンを溶融させるパルスレーザ光であって、複数個のパルスを含むパルスレーザ光を出力する。光学系は、パルスレーザシステムが出力するパルスレーザ光を、ドーピング領域に導光する。第１制御部は、ドーピング領域に対して照射されるパルスレーザ光のパルス数と、パルスのフルーエンスとを制御する。第２制御部は、パルスが照射される毎に溶液内に発生する気泡を、ドーピング領域から移動させるように溶液の流速を制御する。
【００１１】
本開示の他の１つの観点に係る半導体装置の製造方法は、半導体にドーパントをドーピングして半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、第１工程、第２工程、第３工程、及び第４工程とを含む。第１工程は、半導体上に一層以上の膜を形成する。第２工程は、膜が形成された領域のうち、ドーピングを行うドーピング領域に形成された膜を部分的に除去する。第３工程は、ドーピング領域を含む半導体に対して、溶液を流す。第４工程は、第３工程を実行中に、溶液を透過し、ドーピング領域に照射されることにより、ドーピング領域の半導体を溶融させるパルスレーザ光であって、複数個のパルスを含むパルスレーザ光を照射する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
【図１】図１は、比較例に係るレーザドーピング装置の構成を概略的に示す。
【図２】図２は、比較例の課題を説明する説明図である。
【図３】図３は、第１実施形態のレーザドーピング装置の構成を概略的に示す。
【図４】図４は、第１実施形態のドーピング制御部を示す。
【図５】図５は、第１実施形態の作用の説明図である。
【図６】図６は、ドーピング領域に対してパルスレーザ光を１パルス照射した場合において、溶融状態計測部の反射光強度の経時変化を表すグラフである。
【図７】フルーエンスを変化させてドーピングを行った場合の多結晶シリコン膜の電気的な特性である抵抗値の変化を示すグラフである。
【図８】図８は、各フルーエンスのパルスレーザ光でドーピングを行った場合における、多結晶シリコン膜内のドーパントの濃度と、ドーピングの深さの関係を表すグラフである。
【図９】図９は、ドーピングの深さが３０ｎｍにおける、フルーエンスとドーパントの濃度の関係を表すグラフである。
【図１０】図１０は、図７に示したパルス数が２０のグラフに加えて、パルス数が５のグラフと１０のグラフを追加したものである。
【図１１】図１１は、図９及び図１０のグラフから、ドーパント濃度とパルス数の関係を導出したグラフである。
【図１２】図１２は、半導体装置の製造方法の第１例を示す。
【図１３】図１３は、半導体装置の製造方法の第２例を示す。
【図１４】図１４は、第２実施形態のレーザドーピング装置の側面から見た構成を示す。
【図１５】図１５は、第２実施形態のレーザドーピング装置の正面から見た構成を示す。
【図１６】図１６は、フライアイレンズを示す。
【図１７】図１７は、第２実施形態の被照射物のドーピング処理の説明図である。
【図１８】図１８は、第２実施形態の溶液供給システムを示す。
【図１９】図１９は、第３実施形態のレーザドーピング装置の側面から見た構成を示す。
【図２０】図２０は、第３実施形態のレーザドーピング装置の正面から見た構成を示す。
【図２１】図２１は、第３実施形態のドーピング処理の説明図である。
【図２２】図２２は、第４実施形態のレーザドーピング装置の側面から見た構成を示す。
【図２３】図２３は、第４実施形態のレーザドーピング装置の正面から見た構成を示す。
【図２４】図２４は、第４実施形態のドーピング処理の説明図である。
【図２５】図２５は、洗浄装置の構成を示す。
【図２６】図２６は、パルスレーザ装置の具体的構成を示す。
【実施形態】
【００１３】
＜内容＞
１．概要
２．比較例に係るレーザドーピング装置
２．１  レーザドーピング装置の構成
２．２  レーザドーピング装置の動作
２．３  課題
３．第１実施形態のレーザドーピング装置
態）
３．１  構成
３．２  動作
３．３  作用
３．４  ドーピングに適したフルーエンスの範囲
３．５  ドーピングに適したパルス数の範囲
３．６  半導体装置の製造方法の第１例
３．７  半導体装置の製造方法の第２例
３．８  その他
４．第２実施形態のレーザドーピング装置
４．１  構成
４．２  動作
４．３  作用
４．４  その他
５．第３実施形態のレーザドーピング装置
５．１  構成
５．２  動作
５．３  作用
６．第４の実施形態のレーザドーピング装置）
６．１  構成
６．２  動作
６．３  作用
７．パルスレーザ装置の詳細
【００１４】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１５】
１．概要
本開示は、ドーパントを含む溶液中で紫外領域のパルスレーザ光を半導体材料に照射することによって、半導体材料へのドーピングを行うレーザドーピング装置又は半導体装置の製造方法に関する。
【００１６】
２．比較例に係るレーザドーピング装置
２．１  レーザドーピング装置の構成
図１は、比較例に係るレーザドーピング装置の構成を概略的に示す。レーザドーピング装置は、レーザシステム３と、ドーピング装置４とを備えている。
【００１７】
レーザシステム３は、パルスレーザ装置２と、光学パルスストレッチャー１６と、アッテネータ１８とを含んでいる。パルスレーザ装置２は、紫外領域のパルスレーザ光を出力するエキシマパルスレーザ装置である。パルスレーザ光の波長は、ドーピング装置４において用いられるドーパントを含む溶液を高い透過率で透過する波長であって、被照射物となる半導体材料の損傷が少ない波長であることが望ましい。具体的には、パルスレーザ光の中心波長は、約１９３ｎｍから約３５５ｎｍの範囲内である。
【００１８】
この波長範囲のパルスレーザ光を出力するパルスレーザ装置２としては、例えば、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ又はＸｅＦをレーザ媒質とするパルスレーザ装置である。ＡｒＦエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約１９３．４ｎｍである。ＫｒＦエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約２４８．４ｎｍである。ＸｅＣｌエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約３０８ｎｍである。ＸｅＦエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約３５１ｎｍである。
【００１９】
また、エキシマパルスレーザ装置に代えて、固体パルスレーザ装置を使用してもよい。固体パルスレーザ装置は、約１μｍ（１０６４ｎｍ）の中心波長のパルスレーザ光を出力する固体パルスレーザ装置と、パルスレーザ光に対して非線形結晶を用いた波長変換を行う波長変換装置との組み合わせである。波長変換装置は、約１μｍの中心波長のパルスレーザ光を、中心波長が３５５ｎｍの第３高調波や２２６ｎｍの第４高調波に変換する。約１μｍのパルスレーザ装置としては、ＹＡＧレーザ装置やＹｂファイバレーザ装置がある。
【００２０】
光学パルスストレッチャー１６は、パルスレーザ装置２から出力されるパルスレーザ光の光路に配置されている。光学パルスストレッチャー１６は、パルスレーザ装置２から出力されるパルスレーザ光のパルス時間幅を伸ばすパルスストレッチを行って、パルス時間幅の長いパルスレーザ光を生成する。パルスレーザ装置２が出力し、パルスストレッチされる前のパルスレーザ光のパルス時間幅は、例えば５０ｎｓｅｃである。光学パルスストレッチャー１６は、パルス時間幅を、例えば約８０ｎｓｅｃにパルスストレッチする。光学パルスストレッチャー１６は、例えば、ビームスプリッタ１６ｙと、凹面ミラー１６ａ〜１６ｄとを含んでいる。ここで、パルス時間幅は以下の式で算出された値である。
パルス時間幅ΔＴTIS＝［∫Ｉ（ｔ）ｄｔ］2／∫Ｉ（ｔ）2ｄｔ
上記式において、ｔは時間であり、Ｉ（ｔ）は時間ｔにおける光強度の値である。
【００２１】
ビームスプリッタ１６ｙは、パルスレーザ光を高い透過率で透過させる基板を含んでいる。この基板の第１の面１６１には減反射膜がコートされ、この基板の第２の面１６２には、部分反射膜がコートされていてもよい。ビームスプリッタ１６ｙは、図示しないホルダに支持される。凹面ミラー１６ａ〜１６ｄは、遅延光学系を構成する。凹面ミラー１６ａ〜１６ｄの各々は、互いに略等しい焦点距離Ｆを有する凹面ミラーである。焦点距離Ｆは、例えば、ビームスプリッタ１６ｙから凹面ミラー１６ａまでの距離に相当する。
【００２２】
図中の左側からビームスプリッタ１６ｙに入射するパルスレーザ光は、第１の面１６１を高い透過率で透過し、第２の面１６２の部分反射膜に入射する。第２の面１６２に入射したパルスレーザ光は、第１の光路と第２の光路に分岐される。すなわち、図中の左側からビームスプリッタ１６ｙに入射したパルスレーザ光の一部は透過し、第１の光路に進んで、第１の出力パルスとなる。第１の出力パルスは、凹面ミラー１６ａ〜１６ｄを経由せずに、アッテネータ１８に入射する。一方、図中の左側からビームスプリッタ１６ｙに入射したパルスレーザ光の他の一部は反射され、第２の光路に進んで、凹面ミラー１６ａによって反射される。
【００２３】
凹面ミラー１６ａによって反射されたパルスレーザ光は、凹面ミラー１６ｄ、１６ｃ、１６ｂの順で反射されて、ビームスプリッタ１６ｙに図中の上側から入射する。図中の上側からビームスプリッタ１６ｙに入射したパルスレーザ光の一部は反射され、上記第１の光路に進んで第２の出力パルスとなる。図中の上側からビームスプリッタ１６ｙに入射したパルスレーザ光の他の一部はビームスプリッタ１６ｙを透過して再び上記第２の光路に進む。
【００２４】
図中の左側からビームスプリッタ１６ｙに入射して透過した第１の出力パルスと、図中の上側からビームスプリッタ１６ｙに入射して反射した第２の出力パルスとが略同一の光路軸で、光学パルスストレッチャー１６から図中の右側に向けて出力される。凹面ミラー１６ａ〜１６ｄを経由した遅延光路の光路長は、凹面ミラー１６ａ〜１６ｄの各々の焦点距離Ｆの４倍に相当し得る。この場合、第１の出力パルスに対する第２の出力パルスの遅延時間は、光速をｃとしたとき、４Ｆ／ｃとなる。また、ビームスプリッタ１６ｙの第２の面１６２におけるパルスレーザ光のビーム断面の像が、遅延光路を通って再び第２の面１６２に入射するときに、第２の面に正転して結像する。
【００２５】
図中の上側からビームスプリッタ１６ｙに入射して透過したパルスレーザ光は、再び凹面ミラー１６ａによって反射され、上述と同じ遅延光路を通って、再びビームスプリッタ１６ｙに図中の上側から入射する。再びビームスプリッタ１６ｙに図中の上側から入射したパルスレーザ光の一部は反射されて、光学パルスストレッチャー１６から図中の右側に向けて出力される。これを繰り返すことにより、第１及び第２の出力パルス及びと略同一の光路軸で、図示しない第３及び第４の出力パルスが出力されて、各出力パルスが合波されることで、パルスレーザ光がパルスストレッチされる。
【００２６】
なお、図１においては、４枚の凹面ミラーを用いる例を示したが、本開示はこの例に限定されることなく、さらに多い数の凹面ミラーが同様に配置されてもよい。
【００２７】
アッテネータ１８は、パルスレーザ装置２から出力されるパルスレーザ光の光路に配置されており、例えば、２枚の部分反射ミラー１８ａ及び１８ｂと、これらの部分反射ミラーの回転ステージ１８ｃ及び１８ｄとを含んでいる。２枚の部分反射ミラー１８ａ及び１８ｂは、パルスレーザ光の入射角度によって、透過率が変化する光学素子である。
【００２８】
ドーピング装置４は、スリット２２と、高反射ミラー２４と、転写光学系２６と、テーブル２７と、ＸＹＺステージ２８と、を含んでいる。スリット２２は、アッテネータ１８を通過したパルスレーザ光の光路に配置されている。スリット２２は、例えば、互いに略直交する２軸を有するスリットである。スリット２２は、パルスレーザ光のビーム断面のうちの光強度分布が均一な領域が通過するように配置されている。
【００２９】
高反射ミラー２４は、パルスレーザ装置２から出力された紫外領域のパルスレーザ光を高い反射率で反射する。高反射ミラー２４は、スリット２２を通過したパルスレーザ光を反射して転写光学系２６に入射させるように配置されている。
【００３０】
転写光学系２６は、パルスレーザ光を照射する被照射物３１上に、パルスレーザ光の均一な光強度の像を転写する。転写光学系２６は、請求項に記載の光学系に相当する。転写光学系２６は、１つ又は複数の凸レンズを含む光学系であってもよいし、１つ又は複数の凸レンズと１つ又は複数の凹レンズとを含む光学系であってもよい。また、転写光学系２６は、紫外領域の光の波長に対して、色収差補正をしたレンズであってもよい。たとえば、転写光学系２６は合成石英とフッ化カルシウムの材料で構成された複数のレンズを含んでいてもよい。
【００３１】
テーブル２７は、被照射物３１を支持する。被照射物３１は、パルスレーザ光が照射されてドーピングが行われる対象であり、例えば、ＴＦＴ基板を製造するための中間生産物である。ＸＹＺステージ２８は、テーブル２７を支持している。ＸＹＺステージ２８は、テーブル２７の位置を調整することにより、被照射物３１の位置を調整可能である。ＸＹＺステージ２８は、被照射物３１の表面上のドーピングを行うドーピング領域に対して、転写光学系２６を透過したパルスレーザ光が照射されるように被照射物３１の位置を調整する。
【００３２】
図２に示すように、被照射物３１は、例えば、ガラス基板３１ａと、ガラス基板３１ａ上に形成された下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃと、下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃ上に形成された多結晶シリコン膜３１ｄとを含んでいる。下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃは、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）とシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）である。多結晶シリコン膜３１ｄは、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）の薄膜であり、ドーピングが行われる対象である。ドーピングが行われる場合には、多結晶シリコン膜３１ｄの上にドーパントを含む溶液３２が供給される。以下、ドーパントを含む溶液３２を、単に溶液３２という。溶液３２は、例えば、ドーパントとしてアルミニウムを含む塩化アルミニウム水溶液、ドーパントとしてホウ酸を含むホウ酸溶液、ドーパントとして窒素を含むアンモニア水溶液、ドーパントとしてリンを含むリン酸水溶液である。
【００３３】
２．２  レーザドーピング装置の動作
パルスレーザ装置２から出力されたパルスレーザ光は、光学パルスストレッチャー１６に入力される。光学パルスストレッチャー１６は、パルスレーザ光をパルスストレッチして、パルスストレッチしたパルスレーザ光を出力する。アッテネータ１８に含まれる２枚の部分反射ミラー１８ａ及び１８ｂは、パルスレーザ光の入射角度が互いに略等しくなるように、且つパルスレーザ光の透過率が所望の透過率となるように、回転ステージ１８ｃ及び１８ｄによって姿勢が制御される。これにより、光学パルスストレッチャー１６から出力されたパルスレーザ光は、所望のパルスエネルギに減光されてアッテネータ１８を通過する。
【００３４】
アッテネータ１８を通過したパルスレーザ光は、直交する２軸のスリット２２を通過し、高反射ミラー２４を経由して、転写光学系２６に入射する。転写光学系２６は、紫外領域の光によるスリット２２の転写像を、被照射物３１の表面に結像する。すなわち、パルスレーザ光が溶液３２を透過し、多結晶シリコン膜３１ｄの表面に照射される。転写光学系２６は、ドーピング領域３１ｅを含む領域にパルスレーザ光を導光する光学系である。パルスレーザ光を照射してドーピングを行うドーピング領域３１ｅにおいて、多結晶シリコン膜３１ｄが溶融されて、溶液３２中のドーパントが、多結晶シリコン膜３１ｄに注入される。多結晶シリコン膜３１ｄが溶融されることにより、注入されたドーパントが多結晶シリコン膜３１ｄ内で拡散する活性化処理が同時に行われる。このように、パルスレーザ光の照射により、低温プロセスでドーピングが可能となる。
【００３５】
２．３  課題
図２Ａに示すように、溶液３２を介して多結晶シリコン膜３１ｄにパルスレーザ光を照射する場合、パルスレーザ光の１パルス目は、溶液３２を透過してドーピング領域３１ｅに到達する。しかしながら、図２Ｂに示すように、１パルス目の照射により、溶液３２中において、ドーピング領域３１ｅの表面に気泡３２ａが発生する。気泡３２ａは、パルスレーザ光の２パルス目以後の照射においては、照射光路において障害となる。
【００３６】
そのため、１パルス目は、気泡３２ａという障害がないため、ドーピング領域３１ｅ内において均一な光強度で照射される。対して、２パルス目以後は、気泡３２ａが障害となるため、ドーピング領域３１ｅ内において光強度が不均一となる。
【００３７】
そこで、気泡３２ａが無いため、ドーピング領域３１ｅ内において均一な光強度の照射が可能な１パルスのみの照射が行われることがあった。しかし、１つのドーピング領域３１ｅに対して１パルスのみの照射を行う方法では、複数のドーピング領域３１ｅのそれぞれに対して照射されるパルス間でパルスエネルギのばらつきが生じた場合、各ドーピング領域３１ｅ間においてドーパント濃度や深さが不安定となることがあった。複数のドーピング領域３１ｅ間でドーパント濃度や深さを安定させるためには、１つのドーピング領域３１ｅに対して、複数パルスの照射が行われることが好ましい。
【００３８】
以下に説明される実施形態においては、この課題を解決するために、溶液供給システム４６と、第１制御部４７ａと、第２制御部４７ｂとを備えている。溶液供給システム４６は、被照射物３１のドーピング領域３１ｅに対して溶液３２を供給する。第１制御部４７ａは、同一のドーピング領域３１ｅに対して照射されるパルス数と、パルスのフルーエンスとを制御する。第２制御部４７ｂは、パルスレーザ光のパルスが照射される毎に溶液３２内に発生する気泡を、ドーピング領域３１ｅから移動させるように溶液３２の流速を制御する。
【００３９】
３．第１実施形態のレーザドーピング装置
３．１  構成
図３は、第１実施形態に係るレーザドーピング装置の構成を概略的に示す。レーザシステム３Ａは、図１を参照しながら説明したレーザシステム３の構成に加えて、パルスレーザシステム制御部１９を備えている。また、第１の実施形態に係るレーザドーピング装置において、ドーピング装置４Ａは、図１を参照しながら説明したドーピング装置４の構成に加えて、溶液供給システム４６と、ドーピング制御部４７とを備えている。ドーピング装置４Ａは、さらに、溶融状態計測部４８を備えていてもよい。
【００４０】
溶液供給システム４６は、例えば、溶液供給ポンプ４６ａと、溶液供給配管４６ｂと、プレート４６ｃと、ウインドウ４６ｄと、溶液排出配管４６ｅとを含んでいる。溶液供給システム４６を用いる場合は、溶液供給システム４６が供給する溶液３２を溜める容器４９が用いられる。被照射物３１は、容器４９内に溜められる溶液３２に浸るように、容器４９の底に収容される。被照射物３１は、パルスレーザ光が照射される表面が、容器４９内の溶液３２の液面と略平行に、かつ、溶液３２の液面より下方に位置するように配置される。
【００４１】
溶液供給ポンプ４６ａの出力は、プレート４６ｃに固定された溶液供給配管４６ｂに接続される。溶液供給配管４６ｂは、被照射物３１のパルスレーザ光が照射されるドーピング領域３１ｅの表面に沿って溶液が流れるように、液面に対して傾斜した状態でプレート４６ｃに固定されている。溶液供給配管４６ｂは、溶液供給配管４６ｂの出口が被照射物３１のドーピング領域３１ｅに向けられる。
【００４２】
プレート４６ｃには、さらに、容器４９から溶液３２の一部を排出する溶液排出配管４６ｅが固定されている。溶液排出配管４６ｅを介して排出された溶液３２は、必要に応じて精製された後、図示しないタンクに貯蔵される。このタンクは、溶液供給ポンプ４６ａの入力に接続されてもよい。
【００４３】
ウインドウ４６ｄは、プレート４６ｃに固定され、転写光学系２６を透過したパルスレーザ光の光路に配置される。ウインドウ４６ｄの材料は、例えば、エキシマレーザ光を透過する合成石英である。ウインドウ４６ｄの下面は溶液３２に接してもよい。ウインドウ４６ｄの上面には、溶液３２が流れ込まないようになっている。そのため、ウインドウ４６ｄは、溶液３２の液面よりも上に位置している。あるいは、ウインドウ４６ｄの周囲をプレート４６ｃが囲って、このプレート４６ｃの上面が溶液３２の液面より上に位置することにより、ウインドウ４６ｄの上面に溶液３２が流れ込まないようになっていてもよい。
【００４４】
溶融状態計測部４８は、被照射物３１のドーピング領域３１ｅの溶融状態を計測する。溶融状態計測部４８は、半導体レーザ装置４８ａと、ハーフミラー４８ｂと、光センサ４８ｃと、を含んでいる。半導体レーザ装置４８ａは、波長が６６０ｎｍの赤色レーザ光を出力する。ハーフミラー４８ｂは、赤色レーザ光を約５０％透過させ、約５０％反射させるハーフミラーである。ハーフミラー４８ｂは、反射した赤色レーザ光を高反射ミラー２４に向けて反射する位置に配置されている。
【００４５】
ハーフミラー４８ｂで反射した赤色レーザ光は、パルスレーザ光の光路に進入する。パルスレーザ光の光路に配置される、高反射ミラー２４、転写光学系２６及びウインドウ４６ｄは、赤色レーザ光を透過させる光学特性を有している。高反射ミラー２４は、パルスレーザ光を反射して、赤色レーザ光を透過するダイクロイックミラーである。ハーフミラー４８ｂで反射された赤色レーザ光は、高反射ミラー２４、転写光学系２６及びウインドウ４６ｄを透過して、溶液３２内の被照射物３１のドーピング領域３１ｅに照射される。
【００４６】
光センサ４８ｃは、被照射物３１で反射して、転写光学系２６、高反射ミラー２４及びハーフミラー４８ｂを透過した赤色レーザ光を検出する位置に配置される。光センサ４８ｃは、例えば、赤色レーザ光に感度を有するフォトダイオードである。ハーフミラー４８ｂと光センサ４８ｃの間には、波長６６０ｎｍの赤色レーザ光の透過率が高いバンドパスフィルタが配置されていてもよい。
【００４７】
パルスレーザシステム制御部１９は、ドーピング制御部４７から送信される目標パルスエネルギＥｔと発光トリガ信号とに基づいて、パルスレーザ装置２を制御する。パルスレーザシステム制御部１９は、パルスレーザ装置２に対して、パルスレーザ装置２が出力するパルスレーザ光の目標パルスエネルギＥＬ１を送信する。次に、パルスレーザシステム制御部１９は、アッテネータ１８に対して、アッテネータ１８を通過したパルスレーザ光の目標パルスエネルギＥｔが以下の式で得られる値となるように、アッテネータ１８の透過率Ｔ２を制御する信号を送信する。
Ｅｔ＝Ｔ１×Ｔ２×ＥＬ１
ここで、Ｔ１は光学パルスストレッチャー１６の透過率である。
【００４８】
ドーピング制御部４７は、被照射物３１のドーピング領域３１ｅが、転写光学系２６を透過したパルスレーザ光の照射位置に位置するように、容器４９を支持するＸＹＺステージ２８を調節する。また、ドーピング制御部４７は、溶融状態計測部４８を制御する。具体的には、ドーピング制御部４７は、溶融状態を計測する場合は、半導体レーザ装置４８ａに対して赤色レーザ光の点灯を開始する駆動信号を送信し、光センサ４８ｃが出力する赤色レーザ光の反射光強度を受信する。
【００４９】
図４に示すように、ドーピング制御部４７は、第１制御部４７ａと、第２制御部４７ｂとを備えている。第１制御部４７ａは、被照射物３１のドーピング領域３１ｅにおけるパルスレーザ光のフルーエンスが所定の値となるように、アッテネータ１８を通過したパルスレーザ光の目標パルスエネルギＥｔのデータをパルスレーザシステム制御部１９に送信する。ここで、フルーエンスは、パルスレーザ光に含まれる１パルス当たりのエネルギ照射密度である。
【００５０】
また、第１制御部４７ａは、パルスレーザシステム制御部１９に対して、パルス数に応じた発光トリガ信号を送信する。第１制御部４７ａは、パルスレーザシステム制御部１９は、第１制御部４７ａから発光トリガ信号を受信すると、パルスレーザ装置２に入力する。パルスレーザ装置２は、発光トリガ信号を受信すると、目標パルスエネルギＥＬ１付近のパルスエネルギを有するパルスレーザ光を出力する。
【００５１】
パルス数は、同一のドーピング領域３１ｅに照射されるパルス数である。１つのパルスに対して１つの発光トリガ信号が対応している場合には、パルス数は、第１制御部４７ａが送信する発光トリガ信号の数で規定される。また、第１制御部４７ａが送信する発光トリガ信号の数と複数の発光トリガ信号の送信間隔とによって繰り返し周波数が規定される。繰り返し周波数は、例えば、１ｋＨｚから６ｋＨｚである。
【００５２】
第２制御部４７ｂは、溶液３２が所定の流速となるように、溶液供給ポンプ４６ａの出力を調節する駆動制御信号を送信する。溶液供給配管４６ｂの出口は、被照射物３１の表面のドーピング領域３１ｅに向けられているため、図４において溶液３２内の矢印で示すように、溶液３２が流れる方向は、被照射物３１の表面と略平行となる。
【００５３】
第２制御部４７ｂは、溶液３２の流速Ｖが以下の範囲となるように制御することが好ましい。
Ｗ×ＰＦ  ≦  Ｖ  ≦２０［ｍ／ｓ］
ここで、Ｗ［ｍ］は、ドーピング領域３１ｅに照射されるパルスレーザ光のビーム幅であって、溶液３２が流れる方向のビーム幅である。ＰＦ［パルス数／ｓ］は、パルスレーザ光における単位時間［ｓ］当たりのパルス数である繰り返し周波数である。
【００５４】
すなわち、流速ＶがＷ×ＰＦ以上であれば、１つのパルスの照射によりドーピング領域３１ｅにおいて気泡３２ａが発生しても、次のパルスが照射されるまでの間に気泡３２ａをドーピング領域３１ｅから移動させることができる。例えば、パルスレーザ光のビーム幅Ｗ＝０．００１ｍ、繰り返し周波数ＰＦ＝１ｋＨｚの場合には、流速Ｖの下限値Ｖｍｉｎ＝１ｍ／ｓとなる。一方、流速Ｖが２０ｍ／ｓを超えると、溶液３２中にキャビテーションの発生が多くなるため、流速Ｖは２０ｍ／ｓ以下であることが好ましい。そのため、流速Ｖの上限値Ｖｍａｘは２０ｍ／ｓであることが好ましい。
【００５５】
３．２  動作
ドーピングに際して、被照射物３１は、溶液３２が貯留された容器４９に収容される。ドーピング制御部４７は、被照射物３１のドーピング領域３１ｅとパルスレーザ光の照射位置が一致するようにＸＹＺステージ２８を調節する。第２制御部４７ｂは、パルスレーザ光のビーム幅Ｗや繰り返し周波数ＰＦに応じて、溶液３２が、上述の好ましい範囲として示した流速Ｖとなるように、溶液供給ポンプ４６ａに対して駆動制御信号を送信する。溶液供給ポンプ４６ａは駆動制御信号に基づいて駆動を開始して、タンクから容器４９内に溶液３２の供給を開始する。これにより、容器４９内の被照射物３１の表面のドーピング領域３１ｅにおいて溶液３２の流れが生じる。
【００５６】
この状態で、第１制御部４７ａは、パルスレーザシステム制御部１９に対して、目標パルスエネルギＥｔと発光トリガ信号とを送信する。パルスレーザシステム制御部１９は、受信した目標パルスエネルギＥｔと発光トリガ信号に基づいて、パルスレーザ装置２を制御して、パルスレーザ装置２からパルスレーザ光を出力させる。パルスレーザ装置２が出力するパルスレーザ光は、光学パルスストレッチャー１６によってパルスストレッチされて、さらに、アッテネータ１８によって減光されて、スリット２２に入射する。
【００５７】
スリット２２を透過したパルスレーザ光は、高反射ミラー２４、転写光学系２６、ウインドウ４６ｄ及び溶液３２を透過して、被照射物３１のドーピング領域３１ｅに照射される。目標パルスエネルギＥｔは、ドーピング領域３１ｅにおける、パルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスを規定し、発光トリガ信号は、同一のドーピング領域３１ｅに照射されるパルスレーザ光のパルス数を規定する。そのため、所定のフルーエンス及びパルス数のパルスレーザ光がドーピング領域３１ｅに照射される。
【００５８】
図５Ａに示すように、パルスレーザ光の１パルス目がドーピング領域３１ｅに照射されると、溶液３２内には気泡３２ａが発生するが、溶液３２は流速Ｖで流れているため、ドーピング領域３１ｅから気泡３２ａが移動する。この移動によって、気泡３２ａは、次のパルスが照射されるまでの間にドーピング領域３１ｅから除去される。そのため、図５Ｂに示すように、パルスレーザ光の２パルス目以後のパルスの照射光路において、気泡３２ａは障害とならない。
【００５９】
パルスレーザ光の照射により、ドーピング領域３１ｅの多結晶シリコン膜３１ｄが溶融されて、溶液３２中のドーパントが多結晶シリコン膜３１ｄ内に注入される。同時に、注入されたドーパントが活性化して、多結晶シリコン膜３１ｄ内で拡散する。
【００６０】
１つのドーピング領域３１ｅに対して、発光トリガ信号で規定したパルス数を含むパルスレーザ光が照射されると、ドーピング制御部４７は、次のドーピング領域３１ｅがパルスレーザ光の照射位置と一致するようにＸＹＺステージ２８を調節する。そして、次のドーピング領域３１ｅに対して、上述した内容のドーピングが行われる。
【００６１】
また、ドーピングを行っている間に、溶融状態計測部４８を用いて、ドーピング領域３１ｅの溶融状態を計測してもよい。半導体レーザ装置４８ａから出力される赤色レーザ光は、ハーフミラー４８ｂで反射して、パルスレーザ光の光路に進入して、溶液３２内の被照射物３１のドーピング領域３１ｅに照射される。ドーピング領域３１ｅで反射した赤色レーザ光は、ハーフミラー４８ｂを透過して光センサ４８ｃに入射する。
【００６２】
パルスレーザ光がドーピング領域３１ｅに照射されて多結晶シリコン膜３１ｄが完全溶融状態になると、ドーピング領域３１ｅにおける赤色レーザ光に対する反射率は、パルスレーザ光の照射前よりも増加する。赤色レーザ光の反射光量が増加すると、光センサ４８ｃが検出する反射光強度が増加する。ドーピング制御部４７は、光センサ４８ｃが出力する反射光強度が、パルスレーザ光の照射前よりも増加した場合に、ドーピング領域３１ｅの多結晶シリコン膜３１ｄが完全溶融状態となったと判定する。完全溶融状態になると、ドーピング領域３１ｅにおいてドーパントの注入と拡散が同時に行われる。ドーピング制御部４７は、溶融状態計測部４８によって溶融状態を計測することにより、ドーパントの注入と拡散が同時に行われていることを確認できる。
【００６３】
３．３  作用
以上のように、第１実施形態のレーザドーピング装置では、溶液供給システム４６、第１制御部４７ａ及び第２制御部４７ｂを備えることにより、複数のドーピング領域３１ｅ間において、ドーパント濃度や深さが安定する。すなわち、溶液３２の流れによって、パルス毎に生じる気泡３２ａがドーピング領域３１ｅから移動する。そのため、パルスレーザ光の２パルス目以後においても、ドーピング領域３１ｅ内において均一な光強度の照射が可能となる。しかも、１つのドーピング領域３１ｅに対して複数のパルスを連続して照射するため、個々のパルスのパルスエネルギにばらつきが生じても、各ドーピング領域３１ｅに対して与えられるパルスエネルギの平均値の変動は抑制される。このため、複数のドーピング領域３１ｅ間におけるドーパント濃度や深さが安定する。
【００６４】
３．４  ドーピングに適したフルーエンスの範囲
図６は、ドーピング領域３１ｅに対してパルスレーザ光を１パルス照射した場合において、溶融状態計測部４８の光センサ４８ｃで検出された赤色レーザ光の反射光強度の経時変化を表すグラフである。反射光強度の計測は、ドーピング領域３１ｅにおけるパルスレーザ光の１パルスのフルーエンスを、２３０ｍＪ／ｃｍ2、３３０ｍＪ／ｃｍ2、３８０ｍＪ／ｃｍ2、４３０ｍＪ／ｃｍ2の４つに変化させて行っている。パルスレーザ光のパルス時間幅は約８０ｎｓｅｃである。
【００６５】
図６のグラフにおいて、領域Ｒ０は、パルスレーザ光の照射前の期間であり、領域Ｒ１は、パルスレーザ光を１パルス照射した直後の期間であり、照射開始時刻を０ｎｓｅｃとすると、０ｎｓｅｃから約３０ｎｓｅｃまでの期間である。領域Ｒ２は、約３０ｎｓｅｃから約１２０ｎｓｅｃの期間であり、領域Ｒ３は、約１２０ｎｓｅｃ以後の期間である。
【００６６】
一般的に、パルスレーザ光の照射開始直後の領域Ｒ１においては、多結晶シリコン膜３１ｄが部分溶融状態になる。部分溶融状態となると赤色レーザ光が散乱して、照射前の領域Ｒ０と比較して反射光強度が低下する。その後、部分溶融状態から完全溶融状態に移行すると、反射光強度が増加する。１パルスの照射が終了した領域Ｒ３の状態では、溶液３２中に気泡３２ａが発生して、反射光強度が低下する。
【００６７】
図６のグラフから分かるように、フルーエンスが２３０ｍＪ／ｃｍ2のパルスレーザ光では、照射後の領域Ｒ２において、照射前の領域Ｒ０と比較して反射光強度が増加していない。これは、ドーピング領域３１ｅの多結晶シリコン膜３１ｄが完全溶融状態になっていないことを示している。対して、フルーエンスが３３０ｍＪ／ｃｍ2、３８０ｍＪ／ｃｍ2、４３０ｍＪ／ｃｍ2のパルスレーザ光では、照射後の領域Ｒ２において、照射前の領域Ｒ０と比較して反射光強度が増加している。これは、多結晶シリコン膜３１ｄが完全溶融状態になっていることを示している。そのため、多結晶シリコン膜３１ｄを完全溶融状態にするためには、フルーエンスの下限値は３３０ｍＪ／ｃｍ2以上であることが好ましい。
【００６８】
図７は、フルーエンスを変化させてドーピングを行った場合の多結晶シリコン膜３１ｄの電気的な特性である抵抗値の変化を示すグラフである。各フルーエンスにおいて、同一のドーピング領域３１ｅに対して照射したパルス数は２０パルスである。図７に示すように、フルーエンスが３３０ｍＪ／ｃｍ2付近になると、抵抗値は下がり始める。これは多結晶シリコン膜３１ｄが完全溶融状態となり、ドーピングの注入と拡散が進行したことを示している。フルーエンスが３８０ｍＪ／ｃｍ2において最も抵抗値が減少するが、４００ｍＪ／ｃｍ2付近から抵抗値は増加に転じる。これは、フルーエンスが大きすぎると、パルスレーザ光の照射により、多結晶シリコン膜３１ｄに対して欠陥などのダメージが発生するためと考えられる。
【００６９】
さらにフルーエンスを増加させると抵抗値が増加して、４３０ｍＪ／ｃｍ2の抵抗値は、フルーエンスの下限値である３３０ｍＪ／ｃｍ2の抵抗値とほぼ同じになる。そのため、ダメージによる抵抗値の増加を考慮すると、フルーエンスの上限値は４３０ｍＪ／ｃｍ2であることが好ましい。
【００７０】
また、図８は、各フルーエンスのパルスレーザ光でドーピングを行った場合における、多結晶シリコン膜３１ｄ内のドーパントの濃度と、ドーピングの深さの関係を表すグラフである。図８において、各フルーエンスのパルス数は、すべて２０パルスである。図９は、ドーピングの深さが３０ｎｍにおける、フルーエンスとドーパントの濃度の関係を表すグラフである。図８及び図９は、ドーパントとしてリンを使用した場合のグラフであり、ドーパントの濃度はリン濃度である。リン濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定された。
【００７１】
図７に示したとおり、フルーエンスが３８０ｍＪ／ｃｍ2において抵抗値が最も減少する。そして、図８及び図９に示すように、フルーエンスが３８０ｍＪ／ｃｍ2においては、２３０ｍＪ／ｃｍ2や３３０ｍＪ／ｃｍ2の場合と比較すると、リン濃度が増加しており、リン濃度の増加により抵抗値が減少していることがわかる。
【００７２】
一方、フルーエンスが３３０ｍＪ／ｃｍ2の場合と２３０ｍＪ／ｃｍ2の場合を比較すると、フルーエンスが３３０ｍＪ／ｃｍ2の場合は、図８及び図９においてリン濃度は増加していないが、図７に示したとおり抵抗値が減少している。このことから、フルーエンスが３３０ｍＪ／ｃｍ2以上から、ドーピングの注入と拡散が同時に起こっていると考えられる。
【００７３】
以上より、フルーエンスをＦＬとすると、フルーエンスＦＬの範囲としては、３３０ｍＪ／ｃｍ2≦ＦＬ≦４３０ｍＪ／ｃｍ2であることが好ましい。
【００７４】
３．５  ドーピングに適したパルス数の範囲
図１０は、図７に示したパルス数が２０のグラフに加えて、パルス数が５のグラフと１０のグラフを追加したものである。また、図１１は、図９及び図１０のグラフから、ドーパント濃度とパルス数の関係を導出したグラフである。図１１において、図９と同様にドーパントの濃度はリン濃度である。
【００７５】
図１０に示すように、フルーエンスが３３０ｍＪ／ｃｍ2付近から４００ｍＪ／ｃｍ2付近までの間では、パルス数を増加させると、抵抗値が下がる。また、パルス数が１０パルスの場合と２０パルスの場合を比較すると、図１１に示すとおり、フルーエンスが４３０ｍＪ／ｃｍ2では、２０パルスの方がリン濃度は増加する。しかし、図１１に示すとおり、抵抗値については、パルス数が１０パルスよりも２０パルスの方が増加している。これは、パルス数を増加させることで、多結晶シリコン膜３１ｄに対してダメージが発生しているためと考えられる。
【００７６】
以上より、パルス数をＮとすると、パルス数Ｎの範囲は、２≦Ｎ≦２０であることが好ましい。
【００７７】
３．６  半導体装置の製造方法の第１例
図１２は、半導体装置としてＴＦＴ基板を製造する半導体装置の製造方法の第１例である。図１２のＴＦＴ基板に形成されるＴＦＴは、ゲート電極がソース電極及びドレイン電極よりも上層に位置するトップゲート型である。図１２に示す半導体の製造方法において、図１２Ｇに示すドーピング工程は、第１実施形態のレーザドーピング装置によって実行される。
【００７８】
図１２Ａに示す工程において、ガラス基板３１ａ上に下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃが形成される。図１２Ｂに示す工程において、下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃ上に、約１００ｎｍ以下の厚みのアモルファスシリコン膜３１ｇが形成される。
【００７９】
図１２Ｃに示す工程において、レーザアニール装置によって、アモルファスシリコン膜３１ｇに対して、紫外領域のアニール用のパルスレーザ光が照射されて、アニール処理が実行される。アニール処理により、アモルファスシリコン膜３１ｇが結晶化して、図１２Ｄに示す工程において、多結晶シリコン膜３１ｄが生成される。ここで、アニール用のパルスレーザ光は、例えばＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ、ＸｅＦのエキシマパルスレーザ光であり、中心波長は約１９３ｎｍから約３５１ｎｍである。
【００８０】
図１２Ｄに示す工程において、多結晶シリコン膜３１ｄは、ＴＦＴのチャンネル、ソース電極及びドレイン電極の形状及びサイズにエッチングされる。エッチングは、例えば、多結晶シリコン膜３１ｄをリソグラフィプロセスでパターニングした後、ドライエッチングにより行われる。図１２Ｅに示す工程において、多結晶シリコン膜３１ｄを含む領域に、ゲート絶縁膜３１ｈ及びゲート電極膜３１ｊが形成される。ゲート絶縁膜３１ｈは、例えば、ＳｉＯ2である。ゲート電極膜３１ｊは、例えば、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）のいずれか、もしくは、これらのうちの少なくとも１つを含む多層膜である。ここで、図１２Ｅに示す工程は、半導体である多結晶シリコン膜３１ｄ上に、一層以上の膜であるゲート絶縁膜３１ｈ及びゲート電極膜３１ｊを形成しているので、半導体装置の製造方法に係る請求項における第１工程に相当する。
【００８１】
図１２Ｆに示す工程において、ゲート絶縁膜３１ｈ及びゲート電極膜３１ｊがエッチングにより一部除去されて、多結晶シリコン膜３１ｄのドーピング領域３１ｅが露出される。ドーピング領域３１ｅは、ＴＦＴにおいて、ソース電極及びドレイン電極として機能する。ここで、図１２Ｆに示す工程は、ゲート絶縁膜３１ｈ及びゲート電極膜３１ｊからなる膜が形成された領域のうち、ドーピング領域３１ｅに形成された膜を部分的に除去しているので、半導体装置の製造方法に係る請求項における第２工程に相当する。
【００８２】
図１２Ｆの工程が終了したガラス基板３１ａは、図４に示したように、被照射物３１として、レーザドーピング装置の容器４９にセットされる。図１２Ｇに示す工程において、レーザドーピング装置は、容器４９内において、ドーピング領域３１ｅを含む所定領域に溶液３２を流す。ここで、溶液３２を流す工程は、ドーピング領域３１ｅを含む半導体である多結晶シリコン膜３１ｄに対して、ドーパントを含む溶液３２を流しているので、半導体装置の製造方法に係る請求項における第３工程に相当する。
【００８３】
さらに、図１２Ｇに示す工程において、レーザドーピング装置は、溶液３２を流す工程を実行中に、ドーピング領域３１ｅを含む所定領域に、複数個のパルスを含むパルスレーザ光を照射する。これにより、ドーピング領域３１ｅに対してドーピングが行われる。ここで、図１２Ｇに示す工程は、半導体装置の製造方法に係る請求項における第４工程に相当する。
【００８４】
図１２Ｇに示す工程において、パルスレーザ光は、ドーピング領域３１ｅを含み、ドーピング領域３１ｅよりも大きな領域に照射される。しかし、ドーピング領域３１ｅ以外の領域は、ゲート絶縁膜３１ｈ及びゲート電極膜３１ｊによって覆われているため、溶液３２が接触しない。溶液３２が接触していない領域に対してはドーピングが行われない。そのため、ドーピング領域３１ｅよりも大きな領域に対してパルスレーザ光を照射しても、ドーピング領域３１ｅに対してのみドーピングを行うことができる。
【００８５】
ドーピング領域３１ｅは、ソース電極及びドレイン電極として機能するため、ゲート電極膜３１ｊとの位置関係が重要である。図１２に示す製造方法では、図１２Ｇに示すように、ゲート電極膜３１ｊ自体が、溶液３２が接触する領域を画定するマスクとして機能して、ゲート電極膜３１ｊとドーピング領域３１ｅとの位置関係を規定する。つまり、ゲート電極膜３１ｊをマスクとしてドーピング領域３１ｅが自動的に決まるセルフアラインを実現できる。そのため、本例の製造方法によれば、ドーピング領域３１ｅの位置やサイズの精度を向上することができる。
【００８６】
ゲート電極膜３１ｊは、金属膜であるため、パルスレーザ光に対する遮蔽性が高い。ドーピング領域３１ｅ以外の多結晶シリコン膜３１ｄに対してパルスレーザ光を遮蔽する効果がある。そのため、ドーピングが不要な領域に対してパルスレーザ光が照射されることによるダメージを防止できる。
【００８７】
３．７  半導体装置の製造方法の第２例
図１３は、半導体装置の製造方法の第２例を示す。第１例は、半導体装置が、トップゲート型のＴＦＴが形成されるＴＦＴ基板であるのに対して、第２例の半導体装置は、ゲート電極がソース電極及びドレイン電極よりも下層に位置するボトムゲート型のＴＦＴが形成されるＴＦＴ基板である。図１３に示す半導体の製造方法において、図１３Ｈに示すドーピング工程は、第１実施形態のレーザドーピング装置によって実行される。
【００８８】
第２例において、第１例との違いは、各膜の形成順序であり、膜の材料、アニール処理、エッチングなどの膜形成プロセスについては、第１例と同様である。第２例において、第１例と同一の膜については同一の符号で示し、具体的な材料及び膜形成プロセスの説明は省略する。
【００８９】
図１３Ａに示す工程において、ガラス基板３１ａ上に下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃが形成される。下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃの上にゲート電極膜３１ｊが形成される。図１３Ｂに示す工程において、ゲート電極膜３１ｊがゲート電極の形状及びサイズにエッチングされる。
【００９０】
図１３Ｃに示す工程において、ゲート絶縁膜３１ｈが形成され、ゲート絶縁膜３１ｈ上にアモルファスシリコン膜３１ｇが形成される。図１３Ｄに示す工程において、アモルファスシリコン膜３１ｇに対してアニール処理が施されて、多結晶シリコン膜３１ｄが形成される。図１３Ｅに示す工程において、多結晶シリコン膜３１ｄは、ソース電極及びドレイン電極を含む所定領域の形状及びサイズにエッチングされる。
【００９１】
図１３Ｆに示す工程において、多結晶シリコン膜３１ｄ上に絶縁膜３１ｋが形成される。絶縁膜３１ｋは、例えば、ＳｉＯ2である。ここで、図１３Ｆに示す工程は、半導体装置の製造方法に係る請求項における第１工程に相当する。
【００９２】
図１３Ｇに示す工程において、絶縁膜３１ｋがエッチングにより一部除去されて、多結晶シリコン膜３１ｄのドーピング領域３１ｅが露出される。ボトムゲート型においても、ドーピング領域３１ｅは、ソース電極及びドレイン電極として機能する。図１３Ｇに示す工程は、半導体装置の製造方法に係る請求項における第２工程に相当する。
【００９３】
図１３Ｇの工程が終了したガラス基板３１ａは、レーザドーピング装置の容器４９にセットされる。図１３Ｈに示す工程において、レーザドーピング装置は、容器４９内において、ドーピング領域３１ｅを含む所定領域に溶液３２を流す。
【００９４】
さらに、図１３Ｈに示す工程において、レーザドーピング装置は、溶液３２を流す工程を実行中に、ドーピング領域３１ｅを含む所定領域にパルスレーザ光を照射する。これにより、ドーピング領域３１ｅに対してドーピングが行われる。図１３Ｈに示す工程は、半導体装置の製造方法に係る請求項における第４工程に相当する。
【００９５】
３．８  その他
上記第１実施形態において、半導体を形成する基板としてガラス基板３１ａを例に説明したが、ガラス基板３１ａの代わりに樹脂製の樹脂基板を使用してもよい。樹脂基板は、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＩ（ポリイミド）である。
【００９６】
また、上記第１実施形態において、半導体として多結晶シリコンを例に説明したが、半導体としては酸化金属半導体でもよい。酸化金属半導体は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、酸素（Ｏ）で構成される半導体や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）で構成される半導体である。
【００９７】
４．第２実施形態のレーザドーピング装置
４．１  構成
図１４及び図１５は、第２実施形態のレーザドーピング装置の構成を示す。第２実施形態のレーザドーピング装置は、第１実施形態のドーピング装置４Ａに代えて、ドーピング装置４Ｂを備えている点で異なる。レーザシステム３Ａは、第１実施形態と同様である。
【００９８】
ドーピング装置４Ｂは、パルスレーザ光を、矩形ビームに変換する光学システム５１を有する点が、ドーピング装置４Ａとの主な相違点である。具体的には、光学システム５１は、パルスレーザ光のビームの光軸と直交する断面形状を、矩形状に整形して、整形した矩形ビームを、ドーピング領域３１ｅを含む所定領域に導光する。以下、第１実施形態と同様の構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。光学システム５１は、レーザドーピング装置の請求項における光学系に相当する。
【００９９】
図１４は、ドーピング装置４Ｂを側面から見た場合の構成図である。図１５は、ドーピング装置４Ｂを正面から見た場合の構成図である。図１４の側面方向をＸ軸方向とすると、図１５の正面方向はＹ軸方向と一致する。
【０１００】
光学システム５１は、高反射ミラー５２ａ、５２ｂ、５２ｃと、ビームホモジナイザ５４とを備えている。高反射ミラー５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、レーザシステム３Ａから入力されるパルスレーザ光を反射して、ビームホモジナイザ５４に入射するように配置される。
【０１０１】
ビームホモジナイザ５４は、高反射ミラー５２ｃで反射されたパルスレーザ光の光路に配置される。ビームホモジナイザ５４は、フライアイレンズ５４ａと、コンデンサ光学系５４ｂとを備えている。入射するパルスレーザ光のビームの断面形状を、Ｘ軸方向に長い長方形状に整形し、整形した矩形ビームを出射する。
【０１０２】
図１６に示すように、フライアイレンズ５４ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の二次元平面内に配列された複数の小レンズを有している。フライアイレンズ５４ａにおいて、紫外領域の光を高い透過率で透過させる基板の第１の面に、凹面で形成される複数のシリンドリカル面５４１がＹ方向に配列されている。当該基板の第１の面と反対側の第２の面に、凹面で形成される複数のシリンドリカル面５４２がＸ方向に配列されている。シリンドリカル面５４１の前側焦点面の位置と、シリンドリカル面５４２の前側焦点面の位置とは略一致する。対向する１対のシリンドリカル面５４１及び５４２は、１つの小レンズを構成する。フライアイレンズ５４ａの材料は、例えば、合成石英やＣａＦ２結晶である。
【０１０３】
フライアイレンズ５４ａは、フライアイレンズ５４ａに含まれる複数の小レンズの後側焦点を含む焦点面の位置とコンデンサ光学系５４ｂの前側焦点面の位置とが略一致するように配置される。ドーピング領域３１ｅが形成される被照射物３１の表面のＺ軸方向の位置は、コンデンサ光学系５４ｂの後側焦点の位置と略一致するように調節される。
【０１０４】
フライアイレンズ５４ａの各小レンズは、Ｘ軸方向に長い長方形状であり、各小レンズのそれぞれが矩形状のビームを出射する。フライアイレンズ５４ａは、コンデンサ光学系５４ｂに対して、複数の矩形ビームが二次元平面内で複数配列された面光源として機能する。フライアイレンズ５４ａの各小レンズが出射するビームは、コンデンサ光学系５４ｂの後側焦点面において、重ね合わされて、各小レンズのビームと相似形でサイズが大きな矩形状のビームに変換される。
【０１０５】
ドーピング装置４Ｂに入射したパルスレーザ光は、ビームホモジナイザ５４によって矩形ビームに変換される。矩形ビームは、ビームの断面方向において光強度分布が均一化されたケーラー照明となる。この矩形ビームは、ドーピング領域３１ｅに照射される。
【０１０６】
ドーピング装置４Ｂの溶液供給システム４６１においては、プレート４６ｃのウインドウ４６ｄは、矩形ビームの断面形状と同様に矩形状に形成されている。プレート４６ｃは固定部材５６を介してフレーム５５に固定されている。
【０１０７】
ドーピング装置４Ｂはフレーム５５を有しており、フレーム５５に光学システム５１とＸＹＺステージ２８とが取り付けられている。被照射物３１は、大画面ディスプレイ用のＴＦＴ基板を製造するための中間生産物である。第２実施形態では、被照射物３１が大型であるため、第１実施形態と異なり、被照射物３１を収容する容器４９は設けられておらず、テーブル２７は、容器４９を介さずに被照射物３１を直接支持する。
【０１０８】
ＸＹＺステージ２８は、テーブル２７をＸ軸方向とＹ軸方向の二次元平面内で移動することにより、被照射物３１の表面と、矩形ビームの照射位置となるウインドウ４６ｄとを相対的に移動させる。
【０１０９】
また、被照射物３１のＸ軸方向の両側に、ダミープレート５７ａ及び５７ｂが配置されている。ダミープレート５７ａ及び５７ｂの厚みは、被照射物３１の厚みと略一致している。ダミープレート５７ａ及び５７ｂは、テーブル２７に予め配置される。
【０１１０】
図１７に示すように、被照射物３１は、例えば、Ｘ軸方向に延びるライン状のドーピングラインＬ１〜Ｌ４を有している。ドーピングラインＬ１〜Ｌ４は、ドーピング領域３１ｅを含む所定領域である。本例では、ドーピングラインＬ１〜Ｌ４が４本の例で説明しているが、もちろん、４本以上あってもよい。
【０１１１】
図１８に示すように、溶液供給システム４６１は、第１実施形態の溶液供給システム４６の構成に加えて、溶液排出ポンプ４６ｆ、溶液循環配管４６ｇ、及び溶液タンク４６ｈを有している。溶液排出ポンプ４６ｆは、溶液排出配管４６ｅの出口に接続される。溶液排出ポンプ４６ｆの出力は、溶液循環配管４６ｇを介して溶液タンク４６ｈに接続されている。溶液タンク４６ｈは、溶液供給ポンプ４６ａの入力に配管４６ｉを介して接続されている。
【０１１２】
溶液供給システム４６１は、ドーピング領域３１ｅに対して供給された溶液３２を、溶液排出ポンプ４６ｆを通じて回収する。溶液排出ポンプ４６ｆは、溶液排出配管４６ｅから排出された溶液３２を、溶液循環配管４６ｇを介して溶液タンク４６ｈに送る。溶液タンク４６ｈに回収された溶液３２は、溶液供給ポンプ４６ａに送られて、ドーピング領域３１ｅに供給される。これにより、溶液３２が循環的に使用される。
【０１１３】
４．２  動作
ドーピングに際して、被照射物３１は、テーブル２７上のダミープレート５７ａ及び５７ｂの間にセットされる。ドーピング制御部４７は、ＸＹＺステージ２８を制御して、プレート４６ｃのウインドウ４６ｄが開始位置ＳＰに位置するように、被照射物３１のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置合わせを行う。開始位置ＳＰは、被照射物３１のドーピングラインＬ１の延長線上であって、被照射物３１の外側のダミープレート５７ａ上にある。ドーピング制御部４７は、さらに、ＸＹＺステージ２８を調節して、被照射物３１がウインドウ４６ｄと対面したときに、ビームホモジナイザ５４が出射する矩形ビームの焦点面とドーピング領域３１ｅの位置が略一致するようにＺ軸方向の位置合わせを行う。
【０１１４】
第２制御部４７ｂは、矩形ビームのビーム幅Ｗや繰り返し周波数ＰＦに応じて、ドーピング領域３１ｅ上を流れる溶液３２が、上述の好ましい範囲として示した流速Ｖとなるように、溶液供給システム４６を駆動する。この状態で、第１制御部４７ａは、パルスレーザシステム制御部１９に対して、目標パルスエネルギＥｔと発光トリガ信号を送信する。発光トリガ信号は、所定の繰り返し周波数で送信される。これにより、パルスレーザ装置２は所定の繰り返し周波数で複数個のパルスを含むパルスレーザ光を出力する。パルスレーザ光は、光学システム５１によって矩形ビームに変換される。パルスレーザ光の照射が開始された時点では、ウインドウ４６ｄは開始位置ＳＰにあり、ダミープレート５７ａと対面している。このため、パルスレーザ光はダミープレート５７ａに照射される。
【０１１５】
また、図１７に示すように、ドーピング制御部４７は、ＸＹＺステージ２８をＸ軸方向に所定の速度で移動させる信号をＸＹＺステージ２８に送信する。その結果、ＸＹＺステージ２８は、Ｘ軸方向に移動するように加速され、ウインドウ５６ｄが被照射物３１に進入する時点では、所定の速度に到達する。この後、ＸＹＺステージ２８は、所定の速度で等速直線運動をしながら、被照射物３１をドーピングラインＬ１のライン方向に移動する。
【０１１６】
これにより、ウインドウ４６ｄは、被照射物３１のドーピングラインＬ１に対して相対的に等速で移動する。被照射物３１とウインドウ４６ｄがＸ軸方向に等速で相対移動することにより、ドーピングラインＬ１の全域に対して、規定のパルス数でパルスレーザ光が照射される。その結果、ドーピングラインＬ１に対してドーピングが行われる。ここで、ＸＹＺステージ２８の移動速度は、同一のドーピング領域３１ｅに対して、規定のパルス数の矩形ビームが照射されるように決定される。ビームホモジナイザ５４の作用によって矩形ビームの照射領域の光強度は均一である。そのため、ドーピングラインＬ１の全域に対して均一な光強度で矩形ビームが照射される。
【０１１７】
ドーピングラインＬ１のドーピングが終了すると、ドーピングラインＬ１の全域がウインドウ４６ｄを通過するため、ウインドウ４６ｄはダミープレート５７ｂと対面する。この段階でも矩形ビームは照射が継続されているが、矩形ビームはダミープレート５７ｂに照射される。次に、ドーピング制御部４７は、ＸＹＺステージ２８をＹ軸方向に移動して、ウインドウ４６ｄの位置をドーピングラインＬ２の位置に合わせる。この状態で、ドーピング制御部４７は、ＸＹＺステージ２８を、ドーピングラインＬ１の場合と反対方向に相対移動させながら、ドーピングラインＬ２に対してドーピングを行う。こうした手順でドーピングラインＬ３及びＬ４に対してもドーピングが行われる。最後のドーピングラインＬ４の延長線上で、ダミープレート５７ａ上の終了位置ＥＰにウインドウ４６ｄが到達すると、１つの被照射物３１に対するドーピングが完了する。
【０１１８】
４．３  作用
第２実施形態のドーピング装置４Ｂは、被照射物３１をウインドウ４６ｄに対して相対移動させながら、ドーピングを行うことができるため、大画面ディスプレイ用の大型のＴＦＴ基板に対するドーピングに適している。
【０１１９】
また、パルスレーザ光は、被照射物３１の表面のうちドーピングが必要なドーピングラインＬ１〜Ｌ４のみに照射されるため、パルスレーザ光の利用効率もよい。そのため、パルスエネルギが小さなパルスレーザ装置であっても、必要なフルーエンスを確保できる。また、ビームホモジナイザ５４の作用によって矩形ビームの照射領域の光強度は均一であり、さらに、被照射物３１の移動速度を調節することにより、ドーピングラインＬ１〜Ｌ４の全域に対して規定のパルス数の矩形ビームが照射される。そのため、ドーピングラインＬ１〜Ｌ４の全域においてドーピングの濃度や深さが安定する。
【０１２０】
４．４  その他
第２実施形態において、溶液供給システム４６１に、溶液供給ポンプ４６ａに加えて溶液排出ポンプ４６ｆを設けた例で説明したが、溶液３２を循環させる場合には、溶液供給ポンプ４６ａのみで循環させてもよい。
【０１２１】
また、第２実施形態において、フライアイレンズ５４ａの矩形ビームの形状を、Ｘ軸方向に長い長方形状として説明したが、正方形でもよいし、Ｙ軸方向に長い長方形状でもよい。さらに、よりラインに近い形状の帯状としてもよい。矩形ビームの形状は、ドーピング領域３１ｅの形状等に応じて適宜決定される。矩形ビームの形状は、フライアイレンズ５４ａの形状を変更することにより変更することができる。
【０１２２】
なお、本例のフライアイレンズ５４ａは、１枚の基板の第１の面及び第２の面にシリンドリカル面を形成しているが、１面にシリンドリカル面が形成された２枚の基板を組み合わせたフライアイレンズを使用してもよい。また、シリンドリカル面は、凹面でなくてもよく、凸面でもよい。また、シリンドリカル面と同じ機能を果たすフレネルレンズを基板に形成してもよい。
【０１２３】
５．第３実施形態のレーザドーピング装置
５．１  構成
図１９及び図２０は、第３実施形態のレーザドーピング装置の構成を示す。第３実施形態のレーザドーピング装置は、第２実施形態のドーピング装置４Ｂに代えて、ドーピング装置４Ｃを備えている点で異なる。レーザシステム３Ａは、第１実施形態及び第２実施形態と同様である。図１９は、ドーピング装置４Ｃを側面から見た場合の構成図である。
【０１２４】
ドーピング装置４Ｃは、第２実施形態の光学システム５１の代わりに第３実施形態の光学システム６１を備えている点で異なる。第２実施形態の光学システム５１が、パルスレーザ光を、矩形ビームに変換するのに対して、第３実施形態の光学システム６１は、パルスレーザ光を、複数のスポット光が配列されたアレイビームに変換する。光学システム６１は、変換されたアレイビームを、ドーピング領域３１ｅに導光する。光学システム６１は、請求項における光学系に相当する。
【０１２５】
光学システム６１は、高反射ミラー５２ａ〜５２ｃ及びビームホモジナイザ５４に加えて、マスク６２及びマルチレンズアレイ６３を備えている。マスク６２とマルチレンズアレイ６３は、ビームホモジナイザ５４とウインドウ４６ｄを有するプレート４６ｃとの間の光路に配置される。
【０１２６】
マスク６２には、ビームホモジナイザ５４から出射された矩形ビームが入射する。マスク６２は、パルスレーザ光に対して遮光性を有する材料で形成され、複数の開口が一次元に配列されたプレートである。マスク６２は、入射する矩形ビームを、複数の開口によって、矩形ビームよりも断面のサイズが小さい、複数のスポットビームに分割する。マスク６２の開口の数は、例えば４個であり、この場合には、マスク６２に入射する１個の矩形ビームが、各開口の形状及びサイズに応じた４個のスポットビームに分割される。
【０１２７】
マルチレンズアレイ６３は、マスク６２を透過する複数のスポットビームのそれぞれを集光する複数の小レンズが配列されたものである。複数の小レンズは、各スポットビームに対応する、マスク６２の複数の開口像を被照射物３１上に転写する転写レンズとして機能する。複数の転写レンズは、マスク６２の開口の配列方向に対応して一次元に配列されている。マルチレンズアレイ６３は、各転写レンズがマスク６２の複数の開口像を被照射物３１上に転写することによって、複数のスポットビームが配列されたアレイビームを、被照射物３１のドーピング領域３１ｅに導光する。ＸＹＺステージ２８の調節により、被照射物３１のＺ軸方向の位置は、ドーピング領域３１ｅが、マルチレンズアレイ６３による開口像の結像面に位置するように調節される。ここで、マルチレンズアレイ６３は、マスク６２の複数の開口像をそれぞれ縮小転写する構成であることが好ましい。
【０１２８】
５．２  動作
図２１に示すように、第３実施形態において、ドーピング制御部４７は、ウインドウ４６ｄに対して被照射物３１をステップアンドリピート方式で相対移動させながら、ドーピングラインＬ１〜Ｌ４に対してドーピングを行う。
【０１２９】
すなわち、例えば、ドーピングラインＬ１を行う場合において、ドーピング制御部４７は、まず、アレイビームに含まれる４個のスポットビームの転写位置が、ドーピングラインＬ１上の４個のＴＦＴの形成位置と一致するように、ＸＹＺステージ２８を移動して、被照射物３１のＸ軸方向の位置決めを行う。ドーピング制御部４７は、位置決めが完了すると、被照射物３１を停止させた状態で、レーザシステム３Ａに、所定の繰り返し周波数ＰＦで所定のパルス数の発光トリガ信号を送信して、目標パルスエネルギＥｔに応じたパルスレーザ光を出力させる。パルスレーザ光は光学システム６１によってアレイビームに変換されて、アレイビームに含まれる４個のスポットビームが、位置決めされた４個のＴＦＴの形成位置に、所定のパルス数及び所定のフルーエンスで照射される。
【０１３０】
次に、ドーピング制御部４７は、再びＸＹＺステージ２８を移動して、４個のスポットビームの転写位置が、次の４個のＴＦＴの形成位置と一致するように、被照射物３１のＸ軸方向の位置決めを行う。位置決め完了後、ドーピング制御部４７は、上記手順を繰り返して、次の４個のＴＦＴの形成位置に対して４個のスポットビームを照射する。こうした手順を繰り返して、各ドーピングラインＬ１〜Ｌ４に対してドーピングが行われる。第３実施形態においては、パルスレーザ光がアレイビームであるため、第２実施形態と異なり、ドーピングラインＬ１〜Ｌ４において、所定間隔を空けた状態で、複数のスポットビームが照射される。
【０１３１】
５．３  作用
第３実施形態において、ドーピングの濃度や深さが安定するという効果は、第２実施形態と同様である。さらに、第３実施形態では、ドーピングラインＬ１〜Ｌ４に対してアレイビームを照射する。そのため、矩形ビームを照射する第２実施形態と比較して、さらに、パルスビームの照射領域をドーピングが必要な領域に限定することができる。特に、縮小転写した場合は、パルスレーザ光の利用効率がさらに改善される。また、マルチレンズアレイ６３の集光作用により、マルチレンズアレイ６３を用いない場合と比較して、複数のスポットビームのフルーエンスを高くすることができる。
【０１３２】
６．第４実施形態のレーザドーピング装置。
６．１  構成
図２２及び図２３は、第４実施形態のレーザドーピング装置の構成を示す。第４実施形態のレーザドーピング装置は、第２実施形態のドーピング装置４Ｂに代えて、ドーピング装置４Ｄを備えている点で異なる。レーザシステム３Ａは、第１実施形態から第３実施形態と同様であるが、第４実施形態では、複数のレーザシステム３Ａを有している。図２２は、ドーピング装置４Ｄを側面から見た場合の構成図であり、図２３は、ドーピング装置４Ｄを正面から見た場合の構成図である。図２４に示すように、ドーピング装置４Ｄは、被照射物３１上の複数のドーピングラインＬ１〜Ｌ３に対して並行してドーピングを行う並行処理型のドーピング装置である。
【０１３３】
光学システム７１には、例えば３つのレーザシステムからパルスレーザ光が入力される。光学システム７１は、３つ高反射ミラー５２ａ〜５２ｃと、ビームホモジナイザ５４とで構成される１組の光学系を、３つのレーザシステム３Ａのそれぞれに対して１つずつ、合計３つ備えている。溶液供給システム４６１及びプレート４６ｃは、Ｙ軸方向に並べて配列されている。
【０１３４】
さらに、Ｘ軸方向において、各溶液供給システム４６１に隣接する位置には、洗浄装置７２が設けられている。洗浄装置７２は、ドーピング領域３１ｅに対してパルスレーザ光が照射された後、溶液３２によって濡れたドーピング領域３１ｅを洗浄する。
【０１３５】
図２５に示すように、洗浄装置７２は、供給ポンプ７２ａ、供給用配管７２ｂ、プレート７２ｃ、排出用配管７２ｅ、排出用ポンプ７２ｆ、循環用配管７２ｇ、洗浄液タンク７２ｈとを備えている。洗浄液タンク７２ｈは洗浄液を貯留する。洗浄液タンク７２ｈは供給ポンプ７２ａに配管７２ｉを介して接続されている。供給ポンプ７２ａの出力は供給用配管７２ｂに接続されて、プレート７２ｃに形成された吐出口に接続されている。プレート７２ｃに排出口が形成されており、排出口に排出用配管７２ｅが接続されている。
【０１３６】
排出用配管７２ｅは排出用ポンプ７２ｆに接続されている。排出用ポンプ７２ｆは、循環用配管７２ｇを通じて洗浄液タンク７２ｈと接続されている。排出用ポンプ７２ｆによって吸引された洗浄液は、循環用配管７２ｇを通じて洗浄液タンク７２ｈに回収される。洗浄液は、例えば、希フッ酸水溶液または純水である。
【０１３７】
各洗浄装置７２は、プレート７２ｃの吐出口が、Ｙ軸方向において、各溶液供給システム４６１のウインドウ４６ｄの位置と一致するように配置される。
【０１３８】
６．２  動作
ドーピング装置４Ｄのドーピング制御部４７は、ＸＹＺステージ２８を制御して、被照射物３１のドーピングラインＬ１〜Ｌ３の一端と、Ｙ軸方向に配列された各溶液供給システム４６１のウインドウ４６ｄの位置とが一致するように、被照射物３１の位置合わせを行う。そして、ドーピング制御部４７は、ＸＹＺステージ２８を制御して、被照射物３１をＸ軸方向に移動させながら、ドーピングを行う。移動方向は、被照射物３１のドーピング領域３１ｅを、溶液供給システム４６が通過した後に、洗浄装置７２が通過する向きである。
【０１３９】
ドーピング制御部４７が行う、溶液供給システム４６１やレーザシステム３Ａに対する制御は、第２実施形態と同様である。矩形ビームは、Ｙ軸方向に配列されたウインドウ４６ｄを通じて、複数のドーピングラインＬ１〜Ｌ３に対して同時に照射される。これにより、複数のドーピングラインＬ１〜Ｌ３に対して並行してドーピングが行われる。
【０１４０】
また、ドーピングの際には、洗浄装置７２が駆動されて、ドーピング領域３１ｅの洗浄が行われる。被照射物３１との相対的な移動により、洗浄装置７２は、ウインドウ４６ｄが通過した直後に同じドーピング領域３１ｅを通過する。洗浄装置７２は、ドーピング中、洗浄液の供給を継続しているので、矩形ビームが照射されたドーピング領域３１ｅに対して、洗浄液が供給される。洗浄液によって、ドーピング領域３１ｅに対して供給された溶液３２が洗い流される。洗い流された溶液３２は、洗浄液とともに洗浄装置７２によって回収される。
【０１４１】
６．３  作用
第４実施形態では、複数のドーピングラインＬ１〜Ｌ３に対して並行してドーピングを行うことができるため、ドーピングのスループットが向上する。そのため、ドーピング領域３１ｅが相対的に大きくなる大画面用のＴＦＴ基板を形成するのに適している。
【０１４２】
また、洗浄装置７２によって溶液３２を洗い流すことにより、ドーピング領域３１ｅを洗浄するため、被照射物３１上にドーパントが残留して固着するのを抑制できる。
【０１４３】
７．パルスレーザ装置の詳細
図２６は、上述のパルスレーザ装置の具体的構成を示す。図２６に示されるパルスレーザ装置２は、レーザチャンバ８１と、一対の電極８２ａ及び８２ｂと、充電器８３と、パルスパワーモジュール（ＰＰＭ）８４と、を含んでいる。図２６においては、レーザ光の進行方向に略垂直な方向から見たレーザチャンバ８１の内部構成が示されている。
【０１４４】
パルスレーザ装置２は、さらに、クロスフローファン８６と、モータ８７と、を含んでいる。パルスレーザ装置２は、さらに、高反射ミラー８８と、出力結合ミラー８９と、パルスエネルギ計測部９１と、レーザ制御部８５と、レーザガス供給排気装置９２と、を含んでいる。
【０１４５】
レーザチャンバ８１は、上述のレーザ媒質が封入されるチャンバである。圧力センサ９３は、レーザチャンバ８１内のレーザガスの圧力を計測するように配管を介してレーザチャンバ８１に接続されている。一対の電極８２ａ及び８２ｂは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ８１内に配置される。レーザチャンバ８１には開口が形成され、この開口を電気絶縁部９４が塞いでいる。電極８２ａは電気絶縁部９４に支持され、電極８２ｂはレーザチャンバ８１の内部仕切板８１ｃに支持されている。電気絶縁部９４には、導電部９４ａが埋め込まれている。導電部９４ａは、パルスパワーモジュール８４から供給される高電圧を電極８２ａに印加するように、パルスパワーモジュール８４の高電圧端子と電極８２ａとを電気的に接続している。レーザチャンバ８１は、ガス配管によってレーザガス供給排気装置９２に接続されている。
【０１４６】
クロスフローファン８６の回転軸は、レーザチャンバ８１の外部に配置されたモータ８７に接続されている。モータ８７がクロスフローファン８６を回転させることにより、レーザガスが電極８２ａと電極８２ｂの間を流れるようにレーザチャンバ８１の内部で循環している。
【０１４７】
電源装置は、充電器８３と、パルスパワーモジュール８４と、を含んでいる。パルスパワーモジュール８４は、充電コンデンサと、スイッチ８４ａと、を含んでいる。充電器８３の出力は、充電コンデンサと接続され、充電器８３は、一対の電極８２ａ及び８２ｂ間に高電圧を印加するための電気エネルギを保持する。レーザ制御部８５によって制御されるスイッチ８４ａがＯＦＦからＯＮになると、パルスパワーモジュール８４は、充電コンデンサに保持されていた電気エネルギからパルス状の高電圧を生成し、この高電圧を一対の電極８２ａ及び８２ｂ間に印加する。
【０１４８】
一対の電極８２ａ及び８２ｂ間に高電圧が印加されると、一対の電極８２ａ及び８２ｂ間に放電が起こる。この放電のエネルギにより、レーザチャンバ８１内のレーザ媒質が励起されて高エネルギ準位に移行する。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギ準位に移行するとき、そのエネルギ準位差に応じた波長の光を放出する。
【０１４９】
レーザチャンバ８１の両端にはウインドウ８１ａ及び８１ｂが設けられている。レーザチャンバ８１内で発生した光は、ウインドウ８１ａ及び８１ｂを介してレーザチャンバ８１の外部に出射する。
【０１５０】
高反射ミラー８８は、レーザチャンバ８１のウインドウ８１ａから出射された光を高い反射率で反射し、レーザチャンバ８１内に戻す。出力結合ミラー８９の表面には、部分反射膜がコーティングされている。従って、出力結合ミラー８９は、レーザチャンバ８１のウインドウ８１ｂから出力される光のうちの一部を透過させて出力し、他の一部を反射させてレーザチャンバ８１内に戻す。
【０１５１】
高反射ミラー８８と出力結合ミラー８９とで、光共振器が構成され得る。レーザチャンバ８１から出射した光は、高反射ミラー８８と出力結合ミラー８９との間で往復し、電極８２ａと電極８２ｂとの間のレーザゲイン空間を通過する度に増幅され得る。増幅された光の一部が、出力結合ミラー８９を介して、パルスレーザ光として出力され得る。
【０１５２】
パルスエネルギ計測部９１は、ビームスプリッタ９１ａと、集光光学系９１ｂと、光センサ９１ｃとを含んでいる。ビームスプリッタ９１ａは、出力結合ミラー８９を透過したパルスレーザ光を高い透過率で透過させるとともに、パルスレーザ光の一部を集光光学系９１ｂに向けて反射する。集光光学系９１ｂは、ビームスプリッタ９１ａによって反射された光を光センサ９１ｃの感光面に集光する。光センサ９１ｃは、感光面に集光されたレーザ光のパルスエネルギを検出し、パルスエネルギの検出データをレーザ制御部８５に出力する。
【０１５３】
レーザ制御部８５は、例えば、充電器８３に対して充電電圧の設定信号を送信したり、パルスパワーモジュール８４に対してスイッチＯＮ又はＯＦＦの発光トリガ信号を送信する。さらに、レーザ制御部８５は、レーザチャンバ８１内のレーザガスの圧力を制御するために、圧力センサ９３の検出値に基づいて、レーザガス供給排気装置９２を制御する。
【０１５４】
レーザ制御部８５は、パルスエネルギ計測部９１からパルスエネルギの検出データを受信し、このパルスエネルギの検出データを参照して充電器８３の充電電圧やレーザチャンバ８１内のレーザガスの圧力を制御する。充電器８３の充電電圧やレーザガスの圧力を制御することにより、パルスレーザ光のパルスエネルギが制御される。また、レーザ制御部８５は、パルスエネルギ計測部９１から受信したデータに基づいて、エキシマパルスレーザ装置の発振パルス数を計数してもよい。
【０１５５】
上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
【０１５６】
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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