(57)【要約】【課題】  良好な加工品質で加工を行う。【解決手段】  外側の同心円の半径をｒ１、内側の同心円の半径をｒ２とし、輪帯状レーザビームの半径を（ｒ１＋ｒ２）／２、幅をｒ１−ｒ２で定義するとき、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持台と、レーザ光源を出射したレーザビームから、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成し、保持台に保持された加工対象物に半径可変に入射させる光学系と、輪帯状のレーザビームの半径が変化したとき、輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変化を抑制する向きに、レーザ光源の出力または輪帯状のレーザビームの幅を変化させる制御装置とを有するレーザ加工装置を提供する。【選択図】          図１
2009259860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側の同心円の半径をｒ１、内側の同心円の半径をｒ２とし、輪帯状レーザビームの半径を（ｒ１＋ｒ２）／２、幅をｒ１−ｒ２で定義するとき、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
加工対象物を保持する保持台と、
前記レーザ光源を出射したレーザビームから、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成し、前記保持台に保持された加工対象物に半径可変に入射させる光学系と、
前記輪帯状のレーザビームの半径が変化したとき、前記輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変化を抑制する向きに、前記レーザ光源の出力または前記輪帯状のレーザビームの幅を変化させる制御装置と
を有するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変動係数が１０％以下となるように、前記レーザ光源の出力または前記輪帯状のレーザビームの幅を変化させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変動係数が５％以下となるように、前記レーザ光源の出力または前記輪帯状のレーザビームの幅を変化させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変動係数が２％以下となるように、前記レーザ光源の出力または前記輪帯状のレーザビームの幅を変化させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記制御装置は、加工において、前記保持台に保持された加工対象物上の場所によらず、該加工対象物に投入される単位面積当たりのエネルギの変動係数が２０％以下となるように、前記光学系を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記制御装置は、加工において、前記保持台に保持された加工対象物上の場所によらず、該加工対象物に投入される単位面積当たりのエネルギの変動係数が１０％以下となるように、前記光学系を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記制御装置は、加工において、前記保持台に保持された加工対象物上の場所によらず、該加工対象物に投入される単位面積当たりのエネルギの変動係数が５％以下となるように、前記光学系を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記光学系は、レーザビームの光軸方向と平行な方向に移動可能に保持され、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成するアキシコンレンズを含み、
前記制御装置は、前記アキシコンレンズの移動に応じて前記レーザ光源を出射するレーザビームの強度を調整する請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記光学系は、
円錐状部分の頂点が互いに対向するように同軸に配置され、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成する２つのアキシコンレンズと、
前記２つのアキシコンレンズで生成された輪帯状ビームを、その半径と幅の比率を一定に保ったまま、拡大、縮小して前記加工対象物上に結像させる、結像倍率可変の結像光学系と
を含み、
前記制御装置は、前記結像光学系の結像倍率に応じて前記レーザ光源を出射するレーザビームの強度を調整する請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記光学系は、
円錐状部分の頂点が互いに対向するように同軸に配置され、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成する２つのアキシコンレンズと、
前記２つのアキシコンレンズで生成された輪帯状のレーザビームの光軸方向と平行な方向に移動可能に保持され、前記輪帯状のレーザビームの半径を変化させずに幅を変化させる円輪シリンドリカルレンズと、
前記円輪シリンドリカルレンズを出射した輪帯状のビームを、その半径と幅の比率を一定に保ったまま、拡大、縮小して前記加工対象物上に結像させる、結像倍率可変の結像光学系と
を含み、
前記制御装置は、前記加工対象物上における輪帯状のレーザビームの半径と幅との積がほぼ一定となるように、前記円輪シリンドリカルレンズの移動と、前記結像光学系の結像倍率とを制御する請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記光学系は、
円錐状部分の頂点が互いに対向するように同軸に、距離可変に配置され、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成する２つのアキシコンレンズと、
前記２つのアキシコンレンズで生成された輪帯状のビームを、その半径と幅の比率を一定に保ったまま、拡大、縮小して前記加工対象物上に結像させる、結像倍率可変の結像光学系と
を含み、
前記制御装置は、前記加工対象物上における輪帯状のレーザビームの半径と幅との積がほぼ一定となるように、前記２つのアキシコンレンズ間の距離と、前記結像光学系の結像倍率とを制御する請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記保持台に保持された加工対象物に入射する輪帯状のレーザビームの半径が拡大する速さの絶対値と、前記輪帯状のレーザビームの幅とが比例するように、前記加工対象物上における前記輪帯状のレーザビームの走査を制御する請求項９〜１１のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
前記光学系は、前記保持台に保持された加工対象物に、光強度が円周方向に均一化された輪帯状のレーザビームを入射させる均一化光学系を含む請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
前記光学系は、前記保持台に保持された加工対象物に、光強度が円周方向及び半径方向に均一化された輪帯状のレーザビームを入射させる均一化光学系を含む請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】
外側の同心円の半径をｒ１、内側の同心円の半径をｒ２とし、輪帯状レーザビームの半径を（ｒ１＋ｒ２）／２で定義するとき、
（ａ）第１の半径の輪帯状レーザビームを、加工対象物に入射させる工程と、
（ｂ）前記第１の半径とは異なる第２の半径の輪帯状レーザビームを、前記加工対象物に入射させる工程と
を有し、
前記輪帯状レーザビームの半径が変化したとき、前記輪帯状レーザビームの同一方位上のピーク強度の変化を抑制するレーザ加工方法。
【請求項１６】
前記輪帯状レーザビームの同一方位上のピーク強度の変動係数が１０％以下となるように、ピーク強度の変化を抑制する請求項１５に記載のレーザ加工方法。
【請求項１７】
前記輪帯状レーザビームの同一方位上のピーク強度の変動係数が５％以下となるように、ピーク強度の変化を抑制する請求項１５に記載のレーザ加工方法。
【請求項１８】
前記輪帯状レーザビームの同一方位上のピーク強度の変動係数が２％以下となるように、ピーク強度の変化を抑制する請求項１５に記載のレーザ加工方法。
【請求項１９】
加工において、前記加工対象物上の場所によらず、前記加工対象物に投入される単位面積当たりのエネルギの変動係数が２０％以下となるように、前記加工対象物にレーザビームを入射させる請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項２０】
加工において、前記加工対象物上の場所によらず、前記加工対象物に投入される単位面積当たりのエネルギの変動係数が１０％以下となるように、前記加工対象物にレーザビームを入射させる請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項２１】
加工において、前記加工対象物上の場所によらず、前記加工対象物に投入される単位面積当たりのエネルギの変動係数が５％以下となるように、前記加工対象物にレーザビームを入射させる請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項２２】
前記工程（ａ）と（ｂ）とにおいて、輪帯状レーザビームが加工対象物に入射する領域の面積が異なる請求項１５〜２１のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項２３】
外側の同心円の半径をｒ１、内側の同心円の半径をｒ２とし、輪帯状レーザビームの幅をｒ１−ｒ２で定義するとき、前記工程（ａ）と（ｂ）とにおいて、半径と幅との積がほぼ等しい輪帯状レーザビームを加工対象物に入射させる請求項１５〜２１のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項２４】
前記輪帯状レーザビームの半径が拡大する速さの絶対値と、前記輪帯状レーザビームの幅とが比例するように、前記加工対象物上において前記輪帯状レーザビームを走査する請求項１５〜２３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うレーザ加工装置、及び、レーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、半導体ウエハの活性化アニールの従来技術について説明する。
【０００３】
図６（Ａ）に示すように、活性化アニールは、たとえば精密位置決め移動ステージ５０上に載置された半導体ウエハ５１に、細長く整形されたライン状レーザビーム５２を照射することによって行う。精密位置決め移動ステージ５０を駆動して半導体ウエハ５１をＸ軸方向に走査することにより、半導体ウエハ５１の全面にレーザビームを照射する。
【０００４】
ライン状レーザビーム５２を用いて円形の半導体ウエハ５１の活性化アニールを行う場合、半導体ウエハ５１以外の部分にもレーザビームが照射されることになり、エネルギ効率が悪くなる。また、半導体ウエハ５１以外の部分に照射されたレーザビームにより塵等が発生して飛散し、半導体ウエハ５１に付着して、半導体ウエハ５１を汚染することがある。更に、精密位置決め移動ステージ５０は高価であるため、レーザアニール装置全体のコストが高くなる。また、Ｘ軸方向への走査だけで半導体ウエハ５１の全面を照射可能なライン状レーザビーム５２の整形が困難でもある。
【０００５】
図６（Ｂ）を参照する。活性化アニールに短いライン状レーザビーム５４が用いられることもある。この場合、精密位置決め移動ステージ５３を駆動して半導体ウエハ５１をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査することにより、半導体ウエハ５１の全面にレーザビームを照射する。
【０００６】
短いライン状レーザビーム５４を用いると、長いライン状レーザビーム５２を用いた場合に比べて、エネルギ効率を向上させることができる。また、半導体ウエハ５１の汚染量を低減することができる。しかし半導体ウエハ５１以外の部分に照射される無駄なエネルギや汚染物を完全になくすことはできない。
【０００７】
また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に何度も半導体ウエハ５１を走査させるため、活性化アニールに時間を要するという問題が生じる。更に、半導体ウエハ５１をＸ軸方向に走査すればよい精密位置決め移動ステージ５０とは異なって、精密位置決め移動ステージ５３は半導体ウエハ５１をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査する必要があるため、これを用いたレーザアニール装置は一層高価になる。加えて、ライン状レーザビーム５４照射位置の繋ぎ目部分における加工品質の問題が生じる。
【０００８】
加熱手段の先端部を半導体ウエハの中心部の上方に配置し、半導体ウエハと所定間隔を保ちながら、一定の移動速度で、当該配置位置から当該配置位置を中心にその回転半径が大きくなるように螺旋状に移動させて、半導体層に未溶融再結晶化部分が生じないように、半導体層の全体を溶融再結晶化するための装置及び方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。この装置または方法によれば、結晶粒径が従来よりも拡大化した半導体層を得ることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−７８３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高いエネルギ効率で加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することである。
【００１１】
また、高い時間効率で加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することである。
【００１２】
更に、良好な加工品質で加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することである。
【００１３】
更に、安価なレーザ加工装置を提供することである。
【００１４】
また、本発明の目的は、高いエネルギ効率で加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することである。
【００１５】
更に、高い時間効率で加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することである。
【００１６】
また、良好な加工品質で加工を行うことのできるレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一観点によれば、外側の同心円の半径をｒ１、内側の同心円の半径をｒ２とし、輪帯状レーザビームの半径を（ｒ１＋ｒ２）／２、幅をｒ１−ｒ２で定義するとき、レーザビームを出射するレーザ光源と、加工対象物を保持する保持台と、前記レーザ光源を出射したレーザビームから、断面形状が輪帯状のレーザビームを生成し、前記保持台に保持された加工対象物に半径可変に入射させる光学系と、前記輪帯状のレーザビームの半径が変化したとき、前記輪帯状のレーザビームの同一方位上のピーク強度の変化を抑制する向きに、前記レーザ光源の出力または前記輪帯状のレーザビームの幅を変化させる制御装置とを有するレーザ加工装置が提供される。
【００１８】
また、本発明の他の観点によれば、外側の同心円の半径をｒ１、内側の同心円の半径をｒ２とし、輪帯状レーザビームの半径を（ｒ１＋ｒ２）／２で定義するとき、（ａ）第１の半径の輪帯状レーザビームを、加工対象物に入射させる工程と、（ｂ）前記第１の半径とは異なる第２の半径の輪帯状レーザビームを、前記加工対象物に入射させる工程とを有し、前記輪帯状レーザビームの半径が変化したとき、前記輪帯状レーザビームの同一方位上のピーク強度の変化を抑制するレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高いエネルギ効率で加工を行うことが可能なレーザ加工装置を提供することができる。
【００２０】
また、高い時間効率で加工を行うことが可能なレーザ加工装置を提供することができる。
【００２１】
更に、良好な加工品質で加工を行うことが可能なレーザ加工装置を提供することができる。
【００２２】
更に、安価なレーザ加工装置を提供することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、高いエネルギ効率で加工を行うことが可能なレーザ加工方法を提供することができる。
【００２４】
更に、高い時間効率で加工を行うことが可能なレーザ加工方法を提供することができる。
【００２５】
また、良好な加工品質で加工を行うことが可能なレーザ加工方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照し、以下に挙げる実施例に共通するレーザ加工方法について説明する。
【００２７】
図１（Ａ）を参照する。以下の実施例においては、固定ステージ６０上に載置された円形の半導体ウエハ５１に、円輪状（輪帯状、円環状）に整形されたレーザビームを照射することによって半導体ウエハ５１の活性化アニールを行う。円輪状に整形されたレーザビームが照射される半導体ウエハ５１上の領域の数例を、本図には照射領域５５ａ〜５５ｄと示した。照射領域５５ａ〜５５ｄはそれぞれ円形の半導体ウエハ５１の中心を中心とする２つの円（同心円）に囲まれた領域である。
【００２８】
円輪状に整形されたレーザビームは、照射面における半径及び幅を変化されて半導体ウエハ５１全面に照射される。照射はたとえば、円輪状のレーザビームの半径を大きくしながら、照射領域が半導体ウエハ５１の半径方向に沿って、内側から外側に向かって移動するように行われる。円輪状のレーザビームの半径を小さくしながら、照射領域が半導体ウエハ５１の半径方向に沿って、外側から内側に向かって移動するように行ってもよい。活性化アニールに用いられるレーザビームがパルスレーザビームであるとき、その照射は、たとえばオーバーラップ率が一定となるように行われる。
【００２９】
なお、たとえば図１（Ｂ）に示す円輪状レーザビームの照射領域５５ｅにおいて、外側の同心円の半径をｒ１、内側の同心円の半径をｒ２とするとき、円輪状レーザビームの半径は（ｒ１＋ｒ２）／２、幅はｒ１−ｒ２で定義される。
【００３０】
このように円輪状のレーザビームの半径を変化させながら、半導体ウエハ５１の中心を中心とする同心円状にレーザビームを走査することにより、固定ステージ６０上にレーザビームを入射させることなく、半導体ウエハ５１の全面にレーザビームを照射し、半導体ウエハ５１の活性化アニールを行うことができる。
【００３１】
円輪状のレーザビームは、加工中、光強度が一定となる条件で、半導体ウエハ５１に入射させる。また、活性化アニールにおいて、半導体ウエハ５１に投入する単位面積当たりのエネルギは、半導体ウエハ５１上の場所によらず一定とする。このため、パルスレーザビームを用いて活性化アニールを行う場合、半導体ウエハ５１上に照射されるレーザパルスのショット数は場所によらず一定となる。また連続波のレーザビームを用いて活性化アニールを行う場合、半導体ウエハ５１上に照射されるレーザビームの照射時間は場所によらず一定となる。
【００３２】
このためレーザビームが固定ステージ６０に照射されることで発生する塵等による半導体ウエハ５１の汚染を防止することができる。また、図６（Ｂ）を参照して説明した、短いライン状レーザビーム照射位置の繋ぎ目部分における加工品質の問題は生じない。このため良好な品質のレーザアニールを実現することができる。
【００３３】
また、半導体ウエハ５１以外の部分にレーザビームが照射されないため、高いエネルギ効率でレーザアニールを実施することができる。
【００３４】
更に、固定ステージ６０を用いて活性化アニールを行うので、半導体ウエハの移動ステージによる移動や位置決めに要する時間が不要となる。このため高い時間効率でレーザアニールを行うことができる。
【００３５】
また、高価な精密位置決め移動ステージでなく、半導体ウエハ５１を保持する安価な固定ステージ６０を利用するため、安価な装置構成でのレーザアニールを実現することができる。
【００３６】
図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第１の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【００３７】
図２（Ａ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。第１の実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源１０、バリアブルアッテネータ１１、強度分布調節器１２、アキシコンレンズ（円錐状レンズ）１３、レンズ移動機構１３ａ、結像レンズ１４、制御装置１５及び固定ステージ６０を含んで構成される。
【００３８】
たとえばＮｄ：ＹＬＦレーザ発振器を備えるレーザ光源１０からＮｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍ）であるパルスレーザビーム３０が出射する。パルスレーザビーム３０の断面形状はたとえば円形であり、断面内の光強度はガウス分布である。パルスレーザビーム３０は入射するレーザビームの光強度（単位面積を単位時間に通過するエネルギの時間平均値）を可変の減衰率で減衰させることができるバリアブルアッテネータ１１に入射して光強度を減衰され、強度分布調節器１２でビーム断面内の光強度を均一化された後、ビームの進行方向に垂直な断面形状が円輪状となるビームを形成するアキシコンレンズ１３に入射する。アキシコンレンズ１３はレンズ移動機構１３ａに、パルスレーザビーム３０の進行方向（光軸方向）に移動可能に保持されている。アキシコンレンズ１３によって円輪状に整形されたパルスレーザビーム３０は、結像レンズ１４を経て固定ステージ６０上に保持された半導体ウエハ５１に入射し、半導体ウエハ５１の活性化アニールが行われる。結像レンズ１４は、パルスレーザビーム３０の光路上の仮想面４０におけるパルスレーザビーム３０を半導体ウエハ５１上に結像（転写）する。固定ステージ６０は、ＸＹステージ等とは異なり、半導体ウエハ５１を移動させる機能を有していない。このため半導体ウエハ５１は、活性化アニールの期間中、空間的に固定されている。バリアブルアッテネータ１１によるパルスレーザビーム３０の光強度の減衰率の制御、及びレンズ移動機構１３ａによるアキシコンレンズ１３の移動の制御は、制御装置１５によって行われる。
【００３９】
図２（Ｂ）を参照して、強度分布調節器１２の構成及び作用について説明する。図２（Ｂ）は、強度分布調節器１２を、それに入射するレーザビームの光軸に直交する視線で見た断面図である。強度分布調節器１２は、２枚の非球面レンズであるレンズ１２ａ（強度変換レンズ）及びレンズ１２ｂ（位相補正レンズ）を含んで構成される。強度分布調節器１２は、以下に説明するように、断面内の強度分布がガウス分布で、断面形状が円形のレーザビームが入射したとき、ビーム断面内の強度分布を、強度がビーム断面内で一定である分布（トップフラットな分布）に近づける。
【００４０】
バリアブルアッテネータ１１を出射したパルスレーザビーム３０が、レンズ１２ａに入射する。図２（Ｂ）の左端のグラフに示すように、入射光のビーム断面内の強度は、ビーム断面の中心で高く、周辺に向かうにつれ低くなる。レンズ１２ａは、ビーム断面の中心が入射する部分で薄く、そこからレンズの縁に向かうにつれ厚くなり、ある位置で厚さが最大となり、厚さが最大の位置からさらにレンズの縁に向かうにつれ薄くなる。レンズ１２ａが、ビーム断面の中心部分に対し凹レンズとして作用して入射光を拡散させ、ビーム断面の周辺部分に対し凸レンズとして作用して入射光を収束させる。
【００４１】
これにより、レンズ１２ａから出射したレーザビームの断面内で、中心部分の強度が相対的に低下し、周辺部分の強度が相対的に上昇する。レンズ１２ａから所定距離だけ離れた仮想面１２ｃにおいて、図２（Ｂ）の右端のグラフに示すように、ビーム断面内の強度がほぼ一定となる。
【００４２】
仮想面１２ｃを通過した後、レンズ１２ａの作用により、ビーム断面の中心部分の光は、さらに拡散し、周辺部分の光は、さらに収束される。よって、仮想面１２ｃを通過したレーザビームの断面内で、均一化された強度分布が保たれなくなる。均一化された強度分布が保たれるようにするため、仮想面１２ｃの近傍に、レンズ１２ｂが配置される。
【００４３】
レンズ１２ｂは、ビーム断面の中心が入射する部分で厚く、そこからレンズの縁に向かうにつれ薄くなり、ある位置で厚さが最小となり、厚さが最小の位置からさらにレンズの縁に向かうにつれ厚くなる。レンズ１２ｂが、ビーム断面の中心部分に対し凸レンズとして作用し、ビーム断面の周辺部分に対し凹レンズとして作用することにより、レンズ１２ｂから出射したレーザビームが、ビーム断面内でほぼ均一な強度を有する平行光となるようにできる。
【００４４】
なお、図２（Ｂ）に示すのは強度分布調節器の一例であって、たとえばＤＯＥを用いて同様の機能を実現することも可能である。
【００４５】
図２（Ｃ）は、アキシコンレンズ１３を含む概略的な斜視図である。アキシコンレンズ１３に、均一な光強度分布を有する平行ビームであるパルスレーザビーム３０が入射する。パルスレーザビーム３０は、円錐の母線方向に沿って広がり、全体としては円錐の中心軸方向に進行するレーザビームに整形されてアキシコンレンズ１３から出射する。当該レーザビームを進行方向に垂直な平面で切った断面は円輪状である。円輪状のレーザビームの半径は、アキシコンレンズ１３からビーム進行方向への距離が大きくなるに従って大きくなる。他方、円輪状のレーザビームの幅は、アキシコンレンズ１３からの距離によらず一定となり、アキシコンレンズ１３に入射するパルスレーザビーム３０の半径に等しい。
【００４６】
レンズ移動機構１３ａでアキシコンレンズ１３を移動させることにより、仮想面４０の位置における円輪状レーザビームの半径が変化する。仮想面４０の位置における円輪状のレーザビームの半径をレーザパルスごとに変化させながら、当該位置のビーム断面を結像レンズ１４で半導体ウエハ５１上に結像させることにより、半導体ウエハ５１上において、半導体ウエハ５１の中心を中心とする同心円状にレーザビームを走査することができる。
【００４７】
アキシコンレンズ１３をパルスレーザビーム３０の進行方向と反対方向に移動させることで、半導体ウエハ５１上における円輪状照射領域の半径をレーザパルスごとに増加させながら、半導体ウエハ５１の半径方向に沿い内側から外側に向かってビーム走査を行うことができる。また逆に、アキシコンレンズ１３をレーザビーム３０の進行方向と同じ方向に移動させることで、半導体ウエハ５１上における円輪状照射領域の半径をレーザパルスごとに減少させながら、半導体ウエハ５１の半径方向に沿い外側から内側に向かってビーム走査を行うことが可能である。
【００４８】
制御装置１５は、ビーム照射領域における光強度が、加工中、すべてのレーザパルスに共通して等しい一定値となる条件で、各レーザパルスが半導体ウエハ５１に入射するように、アキシコンレンズ１３の移動に応じてバリアブルアッテネータ１１の減衰率を制御する。また、加工において、半導体ウエハ５１に投入する単位面積当たりのエネルギが、半導体ウエハ５１上の場所によらず一定となるように、半導体ウエハ５１上へのレーザビームの入射を制御する。
【００４９】
第１の実施例においては、半導体ウエハ５１上における円輪状照射領域の幅は半径によらず一定であるから、円輪状照射領域の半径を増加させる場合には、バリアブルアッテネータ１１の減衰率を小さくする。
【００５０】
こうして固定ステージ６０上にレーザビームを入射させることなく、半導体ウエハ５１にレーザビームを照射し、半導体ウエハ５１の活性化アニールを行う。
【００５１】
図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第２の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【００５２】
図３（Ａ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。移動可能に保持されたアキシコンレンズ１３の代わりにレーザビームの光路上に固定的に配置された２つのアキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙを備えている点、及び、結像レンズ１４に代えて拡大・縮小結像光学系１６を含んでいる点において、第１の実施例によるレーザ加工装置とは異なる。
【００５３】
図３（Ｂ）は、アキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙを含む概略的な斜視図である。アキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙは、円錐状部分の頂点が互いに対向するように、同軸に（中心軸が一致するように）配置される。パルスレーザビーム３０は、アキシコンレンズ１３ｘにより円錐の母線方向に沿って広がり、全体として円錐の中心軸方向に進行するレーザビームに整形された後、アキシコンレンズ１３ｙの円錐状部分の側面に入射する。アキシコンレンズ１３ｙを出射するレーザビームは、円筒面をその中心軸と平行な方向に進行する平行ビームとなる。
【００５４】
当該レーザビームを進行方向に垂直な平面で切った断面は円輪状である。円輪状のレーザビームの半径及び幅は、アキシコンレンズ１３ｙからビーム進行方向への距離によらず一定である。なお、円輪状のレーザビームの幅は、アキシコンレンズ１３ｘに入射するパルスレーザビーム３０の半径に等しい。
【００５５】
アキシコンレンズ１３ｙを出射した円輪状の平行ビームは、拡大・縮小結像光学系１６に入射する。拡大・縮小結像光学系１６は、円輪状ビームを、その半径と幅の比率を一定に保ったまま、拡大、縮小して、半導体ウエハ５１上に結像させる。
【００５６】
拡大・縮小結像光学系１６が、平行ビームの円輪状断面を、レーザパルスごとに結像（転写）倍率を変えながら、半導体ウエハ５１上に結像（転写）することにより、半導体ウエハ５１上において、半導体ウエハ５１の中心を中心とする同心円状にレーザビームを走査することができる。
【００５７】
拡大・縮小結像光学系１６の結像倍率をレーザパルスごとに増加させることで、半導体ウエハ５１の半径方向に沿い内側から外側に向かってビーム走査を行うことができる。また逆に、結像倍率をレーザパルスごとに減少させることで、半導体ウエハ５１の半径方向に沿い外側から内側に向かってビーム走査を行うことが可能である。
【００５８】
制御装置１５は、ビーム照射領域における光強度が、加工中、すべてのレーザパルスに共通して等しい一定値となる条件で、各レーザパルスが半導体ウエハ５１に入射するように、結像倍率に応じてバリアブルアッテネータ１１の減衰率を制御する。結像倍率を増加させる場合には、バリアブルアッテネータ１１の減衰率を小さくする。また、半導体ウエハ５１に入射する円輪状レーザビームの半径が拡大する速さの絶対値と、当該円輪状レーザビームの幅とが比例するように、レーザビームの走査を制御する。更に、加工において、半導体ウエハ５１に投入する単位面積当たりのエネルギが、半導体ウエハ５１上の場所によらず一定となるように、半導体ウエハ５１上へのレーザビームの入射を制御する。
【００５９】
こうして固定ステージ６０上にレーザビームを入射させることなく、半導体ウエハ５１にレーザビームを照射し、半導体ウエハ５１の活性化アニールを行う。
【００６０】
図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第３の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【００６１】
図４（Ａ）は、第３の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。アキシコンレンズ１３ｙと拡大・縮小結像光学系１６との間のレーザビームの光路上に、トーラス型レンズ（円輪シリンドリカルレンズ）１７を備えている点において、第２の実施例によるレーザ加工装置とは異なる。また、第３の実施例によるレーザ加工装置は、トーラス型レンズ１７をレーザビームの進行方向（光軸方向）に移動可能に保持するレンズ移動機構１７ａを備えている。更に、第３の実施例によるレーザ加工装置は、バリアブルアッテネータを含んでいない。
【００６２】
図４（Ｂ）は、トーラス型レンズ１７を含む概略的な斜視図である。円錐状部分の頂点が互いに対向するように、同軸に（中心軸が一致するように）配置されたアキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙにより、断面形状を円輪状の平行ビームとされてアキシコンレンズ１３ｙを出射したレーザビームは、トーラス型レンズ１７に入射する。トーラス型レンズ１７はドーナツ型の特殊レンズで、その半径は入射する円輪状の平行ビームの半径と等しい。また、トーラス型レンズ１７は、入射する円輪状平行ビームの幅以上の幅を有している。
【００６３】
トーラス型レンズ１７を出射するレーザビームは、ビームの進行方向に垂直な断面形状を円輪状とするレーザビームである。この円輪状レーザビームの幅は、レーザビームの進行方向に沿う距離が大きくなるにしたがって小さくなる。他方、この円輪状レーザビームの半径は、レーザビームの進行方向に沿う距離によらず一定である。
【００６４】
第３の実施例によるレーザ加工方法においては、レンズ移動機構１７ａでトーラス型レンズ１７をレーザビームの進行方向と平行な方向に移動させて、拡大・縮小結像光学系１６により半導体ウエハ５１上に転写される位置（共役な位置）の円輪状ビームの幅を変化させる。これを１つのパラメータとして、半導体ウエハ５１に照射される円輪状ビームの幅を制御することができる。また、拡大・縮小結像光学系１６の結像（転写）倍率を変化させて、半導体ウエハ５１に照射される円輪状ビームの半径及び幅を変化させることができる。
【００６５】
制御装置１５は、半導体ウエハ５１上における円輪状入射ビームの半径と幅との積が、活性化アニール中常に一定となるように、レンズ移動機構１７ａによるトーラス型レンズ１７の移動と、拡大・縮小結像光学系１６の結像（転写）倍率とを、レーザパルスごとに制御する。このような制御を行うことにより、半導体ウエハ５１上のビーム照射領域における光強度を、加工中、すべてのレーザパルスに共通して等しい一定値とすることができる。また、半導体ウエハ５１に入射する円輪状レーザビームの半径が拡大する速さの絶対値と、当該円輪状レーザビームの幅とが比例するように、レーザビームの走査を制御する。更に、加工において、半導体ウエハ５１に投入する単位面積当たりのエネルギが、半導体ウエハ５１上の場所によらず一定となるように、半導体ウエハ５１上へのレーザビームの入射を制御する。
【００６６】
半導体ウエハ５１上におけるレーザビームの走査については、第２の実施例と同様である。拡大・縮小結像光学系１６の結像（転写）倍率をレーザパルスごとに増加させる、または減少させることで、半導体ウエハ５１の半径方向に沿い、半導体ウエハ５１の中心を中心とする同心円状にレーザビームを走査することができる。
【００６７】
こうして固定ステージ６０上にレーザビームを入射させることなく、半導体ウエハ５１にレーザビームを照射し、半導体ウエハ５１の活性化アニールを行う。
【００６８】
第１及び第２の実施例によるレーザ加工方法においては、制御装置１５は、ビーム照射領域における光強度が、すべてのレーザパルスに共通して等しい一定値となる条件で、各レーザパルスが半導体ウエハ５１に入射するように、バリアブルアッテネータ１１の減衰率を制御した。これらのレーザ加工方法を実施するレーザ加工装置においては、簡易な装置構成を採用することができるという利点がある。
【００６９】
しかし半径の小さい円輪状レーザビームを照射する場合など、ビーム照射領域の面積が小さいときには、バリアブルアッテネータ１１の減衰率を大きくして、レーザパルスのパルスエネルギを小さくしなければならない。
【００７０】
これに対し、第３の実施例によるレーザ加工方法においては、レーザ光源１０を出射したレーザビームの光強度を、バリアブルアッテネータで減衰させる必要がないため、高エネルギ効率、高生産性で活性化アニールを行うことができる。この点は、以下に説明する第４の実施例によるレーザ加工方法においても同様である。
【００７１】
図５（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第４の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【００７２】
図５（Ａ）は、第４の実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。第４の実施例によるレーザ加工装置は、トーラス型レンズとトーラス型レンズを移動可能に保持するレンズ移動機構を含まない点、及びアキシコンレンズ１３ｙをレーザビームの進行方向（光軸方向）に移動可能に保持するレンズ移動機構１３ｂを備える点において、第３の実施例によるレーザ加工装置と異なる。
【００７３】
図５（Ｂ）及び（Ｃ）は、アキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙを含む概略的な斜視図である。円錐状部分の頂点が互いに対向するように、同軸に（中心軸が一致するように）配置されたアキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙにより、図３（Ｂ）を参照して説明したように、進行方向に垂直な断面が円輪状の平行レーザビームがアキシコンレンズ１３ｙを出射する。
【００７４】
アキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙ間の距離が変動する場合、アキシコンレンズ１３ｙを出射する円輪状レーザビームの半径は変化する。図５（Ｂ）は、アキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙ間の距離が小さい場合を示し、図５（Ｃ）は、両者間の距離が大きい場合を示す。両図からわかるように、アキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙ間の距離が大きくなるにしたがって、アキシコンレンズ１３ｙを出射する円輪状レーザビームの半径は大きくなる。
【００７５】
他方、円輪状のレーザビームの幅は、アキシコンレンズ１３ｘ、１３ｙ間の距離が変動しても一定で、アキシコンレンズ１３ｘに入射するパルスレーザビーム３０の半径に等しい。
【００７６】
また、アキシコンレンズ１３ｙを出射する円輪状レーザビームは平行ビームであるため、円輪状レーザビームの半径及び幅は、ビーム進行方向への距離によらず、アキシコンレンズ１３ｙ出射時と等しい。
【００７７】
アキシコンレンズ１３ｙを出射した円輪状レーザビームは、拡大・縮小結像光学系１６に入射する。レンズ移動機構１３ｂでアキシコンレンズ１３ｙをレーザビームの進行方向と平行な方向に移動することにより、一定幅の円輪状レーザビームを、半径を変化させながら、拡大・縮小結像光学系１６に入射させることができる。
【００７８】
第４の実施例によるレーザ加工方法においては、レンズ移動機構１３ｂでアキシコンレンズ１３ｙをレーザビームの進行方向と平行な方向に移動させて、拡大・縮小結像光学系１６により半導体ウエハ５１上に転写される位置（共役な位置）の円輪状ビームの半径を変化させる。これを１つのパラメータとして、半導体ウエハ５１に照射される円輪状ビームの半径を制御することができる。また、拡大・縮小結像光学系１６の結像（転写）倍率を変化させて、半導体ウエハ５１に照射される円輪状ビームの半径及び幅を変化させることができる。
【００７９】
制御装置１５は、半導体ウエハ５１上における円輪状入射ビームの半径と幅との積が、活性化アニール中常に一定となるように、レンズ移動機構１３ｂによるアキシコンレンズ１３ｙの移動と、拡大・縮小結像光学系１６の結像（転写）倍率とを、レーザパルスごとに制御する。このような制御を行うことにより、半導体ウエハ５１上のビーム照射領域における光強度を、加工中、すべてのレーザパルスに共通して等しい一定値とすることができる。また、半導体ウエハ５１に入射する円輪状レーザビームの半径が拡大する速さの絶対値と、当該円輪状レーザビームの幅とが比例するように、レーザビームの走査を制御する。更に、加工において、半導体ウエハ５１に投入する単位面積当たりのエネルギが、半導体ウエハ５１上の場所によらず一定となるように、半導体ウエハ５１上へのレーザビームの入射を制御する。
【００８０】
半導体ウエハ５１上におけるレーザビームの走査については、第２及び第３の実施例と同様である。拡大・縮小結像光学系１６の結像（転写）倍率をレーザパルスごとに増加させる、または減少させることで、半導体ウエハ５１の半径方向に沿い、半導体ウエハ５１の中心を中心とする同心円状にレーザビームを走査することができる。
【００８１】
こうして固定ステージ６０上にレーザビームを入射させることなく、半導体ウエハ５１にレーザビームを照射し、半導体ウエハ５１の活性化アニールを行う。
【００８２】
第４の実施例によるレーザ加工方法においては、トーラス型レンズを使用しない。このため、第３の実施例に比べ安価な装置構成で活性化アニールを行うことができる。
【００８３】
なお、第４の実施例によるレーザ加工方法においては、出射側アキシコンレンズ１３ｙをレーザビームの進行方向と平行な方向に移動させたが、入射側アキシコンレンズ１３ｘを移動させてもよい。
【００８４】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８５】
たとえば、実施例においてはパルスレーザビームを用い、半導体ウエハ上のビーム照射領域における光強度が、すべてのレーザパルスに共通して等しい一定値となるように制御した。連続波のレーザビームを用い、半導体ウエハ上のビーム照射領域における光強度が一定となるように制御してもよい。
【００８６】
光強度は厳密に一定値とならなくてもよい。円輪状レーザビームの半径が変化したとき、円輪状レーザビームの同一方位上（半径方向）のピーク強度の変化を抑制する向きに、レーザ光源の出力または円輪状レーザビームの幅を変化させることで効果は得られるだろう。
【００８７】
また、円輪状レーザビームの同一方位上のピーク強度の変動係数が１０％以下となるように、より好ましくは５％以下となるように、更に好ましくは２％以下となるように、レーザ光源の出力または円輪状レーザビームの幅を変化させることで好適に活性化アニールを行うことが可能であろう。ここで変動係数とは、標準偏差を平均値で除したもので、単位は「％」で表される。これと関連して、光強度のピーク値の変動係数が当該範囲内にあるように、半導体ウエハ５１上における円輪状入射ビームの半径と幅との積を、活性化アニール中常にほぼ一定とすればよい。
【００８８】
また、実施例においては、半導体ウエハに投入する単位面積当たりのエネルギを、半導体ウエハ上の場所によらない一定値としたが、単位面積当たりの投入エネルギの変動係数が２０％以下となるように、より好ましくは１０％以下となるように、更に好ましくは５％以下となるようにすれば問題はないであろう。
【００８９】
更に、実施例においては、半導体ウエハ５１を移動させる機能を有さない固定ステージ６０を用いたが、たとえばＸＹステージ上に半導体ウエハ５１を保持してもよい。ＸＹステージにより、半導体ウエハ５１をＸ方向またはＹ方向に移動させることなく活性化アニールを行うことができる。
【００９０】
また、第１及び第２の実施例においては、バリアブルアッテネータを用いてレーザビームの強度を調整したが、バリアブルアッテネータを用いず、レーザ発振器から出射されるレーザビーム自体の強度を変化させてもよい。
【００９１】
更に、実施例においては円周方向及び半径方向に均一化された円輪状のレーザビームを半導体ウエハ５１に照射したが、たとえば少なくとも円周方向にのみ均一化された円輪状のレーザビームを半導体ウエハ５１に照射してもよい。
【００９２】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
レーザ加工一般、殊にレーザアニールに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例に共通するレーザ加工方法について説明するための図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施例によるレーザ加工方法について説明するための図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施例によるレーザ加工方法について説明するための図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、第３の実施例によるレーザ加工方法について説明するための図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、第４の実施例によるレーザ加工方法について説明するための図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、半導体ウエハの活性化アニールの従来技術について説明するための図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０  レーザ光源
１１  バリアブルアッテネータ
１２  強度分布調節器
１２ａ、１２ｂ  非球面レンズ
１２ｃ  仮想面
１３  アキシコンレンズ
１３ａ、１３ｂ  レンズ移動機構
１３ｘ、１３ｙ  アキシコンレンズ
１４  結像レンズ
１５  制御装置
１６  拡大・縮小結像光学系
１７  トーラス型レンズ
１７ａ  レンズ移動機構
３０  レーザビーム
４０  仮想面
５０、５３  精密位置決め移動ステージ
５１  半導体ウエハ
５２、５４  ライン状レーザビーム
５５ａ〜５５ｅ  照射領域
６０  固定ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009259860.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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