レーザ光合成装置、レーザアニール装置およびレーザアニール方法
【課題】複数のレーザビームの強度分布を均一化すること。
【解決手段】第１レーザ光１２の強度分布を均一化した第１均一面１６を形成する第１光学系１４と、前記第１レーザ光と波長の異なる第２レーザ光２２の強度分布を均一化した第２均一面２６を形成する第２光学系２４と、前記第１レーザ光と前記第２レーザとを合成する光合成系３０と、ワーク４０の同じ位置に前記第１均一面と前記第２均一面とを転写する光結合系３６と、を具備するレーザ光合成装置。
【解決手段】第１レーザ光１２の強度分布を均一化した第１均一面１６を形成する第１光学系１４と、前記第１レーザ光と波長の異なる第２レーザ光２２の強度分布を均一化した第２均一面２６を形成する第２光学系２４と、前記第１レーザ光と前記第２レーザとを合成する光合成系３０と、ワーク４０の同じ位置に前記第１均一面と前記第２均一面とを転写する光結合系３６と、を具備するレーザ光合成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光合成装置、レーザアニール装置およびレーザアニール方法に関し、例えば異なる波長の複数のレーザ光を合成するレーザ光合成装置、レーザアニール装置およびレーザアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長の異なる複数のレーザ光を、半導体基板等のワークの同一箇所に同時に照射するレーザ照射装置が知られている。例えば、特許文献１〜５には、シリコン基板またはシリコン膜に波長の異なる２つのレーザ光を照射する半導体装置の製造方法またはレーザアニール装置が開示されている。特許文献１には、約５００ｎｍの波長を有する可視光域のパルスレーザ光と約２５０ｎｍの波長を有する紫外域のパルスレーザ光を、例えばアモルファスシリコン膜に照射することが記載されている。これにより、アモルファスシリコン膜が一定温度に保持される時間を増加させることができる。
【０００３】
また、特許文献２および３には、約１μｍの波長を有する連続発振（ＣＷ）レーザ光と約５００ｎｍの波長を有するＣＷレーザ光を例えばアモルファスシリコン膜に照射することが記載されている。これにより、照射むらを抑制し、均一なレーザ処理を行うこと、または、シリコン膜上に形成される結晶性不良領域を小さくすることができる。
【０００４】
特許文献４、５には、波長の異なるレーザ光をイオン注入された半導体基板に同時に照射することにより、より深い活性化を得ることが記載されている。
【０００５】
特許文献６には、レーザビームの強度分布の均一化のため、非球面レンズを用いることが記載されている。特許文献７には、レーザ光にカレイドスコープを通過させることにより、レーザビームの強度分布を均一化することが記載されている。特許文献８には、レーザ光に光ファイバを通過させることにより、レーザビームの強度分布を均一化することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２４８４号公報
【特許文献２】特開２００４−１２８４２１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８２０６０号公報
【特許文献４】国際公開２００７／０１５３８８号
【特許文献５】特開２００９−３０２２１４号公報
【特許文献６】特開２００５−１４８３４４号公報
【特許文献７】特開２００８−５３３１７号公報
【特許文献８】特開２００３−１１２２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ワークにレーザ光を照射する場合、レーザビームの強度分布を均一にすることが求められる。例えば、特許文献４および５のように、レーザ光を用い半導体基板を熱処理する場合、レーザビームに強度分布があると、レーザビームが照射された半導体基板に温度分布が生じてしまう。波長の異なる複数のレーザ光をワーク上の同一箇所に照射する場合、レーザビームの強度分布の均一化を行うと、色収差に起因し、ワーク上の同一箇所においてレーザビームの強度分布を均一化することができない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数のレーザビームの強度分布を均一化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１レーザ光の強度分布を均一化した第１均一面を形成する第１光学系と、前記第１レーザ光と波長の異なる第２レーザ光の強度分布を均一化した第２均一面を形成する第２光学系と、前記第１レーザ光と前記第２レーザとを合成する光合成系と、ワーク上に前記第１均一面と前記第２均一面とを転写する光結合系と、を具備することを特徴とするレーザ光合成装置である。本発明によれば、複数のレーザビームの強度分布を均一化することができる。
【００１０】
上記構成において、前記光結合系は、前記光合成系と前記第１均一面との間に配置された第１対物レンズと、前記光合成系と前記第２均一面との間に配置された第２対物レンズと、前記光合成系と前記ワークとの間に配置された結像レンズとを含む構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記光合成系は、ダイクロイックミラーである構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記光合成系は、ダイクロイックミラーであり、前記第１レーザ光は前記ダイクロイックミラーで反射され、前記第２レーザ光は前記ダイクロイックミラーを透過する構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記結像レンズは色収差補正レンズではなく、前記第１対物レンズと前記第１均一面との間隔および前記第２対物レンズと前記第２均一面との間隔が調整されることにより、前記第１対物レンズを透過した前記第１レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角および前記第２対物レンズを透過した前記第２レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角が調整され、前記結像レンズから同一の距離の位置に前記第１均一面および前記第２均一面が転写される構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記結像レンズは色収差補正レンズでなく、前記ダイクロイックミラーの透過光が略平行光、前記ダイクロイックミラーの反射光が非平行光となるように、前記第１均一面と前記第１対物レンズとが配置され、前記第２均一面と前記第２対物レンズとが配置される構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記結像レンズは色収差補正レンズである構成とすることができる。
【００１６】
本発明は、上記レーザ光合成装置を含み、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理することを特徴とするレーザアニール装置である。
【００１７】
本発明は、上記レーザアニール装置を用い、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理するステップを含むことを特徴とするレーザアニール方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数のレーザビームの強度分布を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１に係るレーザ光合成装置のブロック図である。
【図２】図２は、光結合系の別の例を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は、ＤＯＥを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。図３（ｂ）は、カレイドスコープを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）は、フライアイレンズとインテグレータレンズを組み合わせた均一光学系の例を示す模式図である。図４（ｂ）は、非球面レンズを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。図４（ｃ）は、光ファイバを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。
【図５】図５は、実施例２に係るレーザ光合成装置のブロック図である。
【図６】図６（ａ）から図６（ｆ）は、第２レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。
【図７】図７（ａ）から図７（ｃ）は、第１レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。
【図８】図８は、実施例２に係るレーザ光合成装置の調整方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、実施例２に係るレーザ光合成装置の調整方法を示すフローチャートであり、図８の調整方法をより詳細に示した図である。
【図１０】図１０は、実施例３に係るレーザ光合成装置のブロック図である。
【図１１】図１１は、実施例４に係るレーザアニール装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
実施例１は、結像レンズとして色収差補正レンズを用いる例である。図１は、実施例１に係るレーザ光合成装置のブロック図である。図１に示すように、レーザ光合成装置１００は、主に第１レーザ装置１０、第１光学系１４、第２レーザ装置２０、第２光学系２４、ダイクロイックミラー３０および光結合系３６を備えている。第１レーザ装置１０は、第１レーザ光１２を出射する。エキスパンダ３４は、第１レーザ装置１０が出射した第１レーザ光１２が第１光学系１４に入射する際の、レーザビームの径および、レーザビームの集束発散を調整するために設けられている。第１光学系１４の設計あるいは、第１レーザ装置１０の特性によっては、エキスパンダ３４を設けなくともよい。第１光学系１４は、第１レーザ光１２の強度分布を均一化し、第１均一面１６を形成する。第１レーザ装置１０から出射された第１レーザ光１２の断面の強度分布は、例えばガウス分布である。第１光学系１４は、第１均一面１６において、第１レーザ光１２の断面の強度分布がほぼ均一となるようにする。なお、第１均一面１６において、第１レーザ光１２の断面の光強度は均一であることが好ましいが、第１レーザ装置１０から出射された際の第１レーザ光１２の断面の強度分布より均一化されていればよい。
【００２２】
第２レーザ装置２０は、第１レーザ光１２と波長の異なる第２レーザ光２２を出射する。第２光学系２４は、第２レーザ光２２の強度分布を均一化し、第２均一面２６を形成する。なお、第２均一面２６において、第２レーザ光２２の断面の光強度は均一であることが好ましいが、第２レーザ装置２０から出射された際の第２レーザ光２２の断面の強度分布より均一化されていればよい。
【００２３】
ダイクロイックミラー３０は、光合成系として、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との光軸１９および２９を合わせ合成する。光結合系３６は、ワーク４０のほぼ同じ位置（転写面４２）に第１均一面１６と第２均一面２６とを転写する。光結合系３６は、第１対物レンズ１８、第２対物レンズ２８および結像レンズ３２を備えている。第１対物レンズ１８は、第１均一面１６とダイクロイックミラー３０との間に配置され、第２対物レンズ２８は、第２均一面２６とダイクロイックミラー３０との間に配置されている。結像レンズ３２は、ダイクロイックミラー３０とワーク４０との間に配置されている。
【００２４】
第１対物レンズ１８は、第１均一面１６からの第１レーザ光１２をほぼ平行光とする。第２対物レンズ２８は、第２均一面２６からの第２レーザ光２２をほぼ平行光とする。ダイクロイックミラー３０は、第１レーザ光１２をほぼ１００％反射し、第２レーザ光２２をほぼ１００％透過させる。これにより、第１レーザ光１２の光軸１９と第２レーザ光２２の光軸２９とを合わせることができる。これにより、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とをワーク４０上の転写面４２に照射させることができる。
【００２５】
実施例１によれば、第１光学系１４および第２光学系２４がそれぞれ第１レーザ光１２および第２レーザ光２２の強度分布を均一化する。ダイクロイックミラー３０が、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを光軸を合わせ合成する。光結合系３６が、ワーク４０の同じ位置に第１均一面１６と第２均一面２６を転写する。このように、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２の光軸とを合わせる前に、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を均一化するため、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とのそれぞれについて強度分布を均一化した第１均一面１６および第２均一面２６を形成できる。その後、ダイクロイックミラー３０が、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを光軸を合わせ、光結合系３６が、ワーク４０の同じ位置に第１均一面１６と第２均一面２６を転写する。これにより、ワーク４０上のほぼ同じ位置において第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を均一化できる。よって、例えば、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを用いワーク４０を熱処理する場合、熱処理の温度分布を均一化できる。
【００２６】
図２は、光結合系の別の例を示す模式図である。光結合系３６として、第１転写レンズ１８ａと第２転写レンズ２８ａとを含んでいる。第１転写レンズ１８ａは、第１対物レンズ１８と結像レンズ３２とを共通化したレンズである。第２転写レンズ２８ａは、第２対物レンズ２８と結像レンズ３２とを共通化したレンズである。このように、光結合系３６として、第１転写レンズ１８ａおよび第２転写レンズ２８ａを用いることもできる。しかしながら、第１対物レンズ１８をダイクロイックミラー３０と第１均一面１６との間に配置し、第２対物レンズ２８をダイクロイックミラー３０と第２均一面２６との間に配置し、結像レンズ３２をダイクロイックミラー３０とワーク４０との間に配置することが好ましい。これにより、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との光軸合わせが容易となる。
【００２７】
また、光合成系としては、ダイクロイックミラー３０以外の光学系を用いることもできる。実施例１のように、光合成系として、ダイクロイックミラー３０を用い、第１レーザ光１２はダイクロイックミラー３０で反射され、第２レーザ光２２はダイクロイックミラー３０を透過するようにする。これにより、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との光軸を容易に合わせることができる。
【００２８】
結像レンズ３２として色収差補正レンズを用いることが好ましい。色収差補正レンズを用いた場合、第１対物レンズ１８と第１均一面１６との距離を第１対物レンズ１８の第１レーザ光１２の波長における焦点距離とする。これにより、第１レーザ光１２はほぼ平行光としてダイクロイックミラー３０に照射される。また、第２対物レンズ２８と第２均一面２６との距離を第２対物レンズ２８の第２レーザ光２２の波長における焦点距離とする。これにより、第２レーザ光２２はほぼ平行光としてダイクロイックミラー３０に照射される。これにより、結像レンズ３２の焦点位置に第１均一面１６と第２均一面２６とが転写される。よって、ワーク４０のほぼ同じ位置に照射される第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を均一にすることができる。
【００２９】
第１光学系１４および第２光学系２４は、レーザビームの強度分布を均一化する光学系であればよい。例えば、実施例１においては、第１光学系１４は、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）を用いる例であり、第２光学系２４はマルチモード光ファイバを用いる例である。
【００３０】
図３（ａ）は、ＤＯＥを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、ＤＯＥ５０と集光レンズ６０とを有している。レーザ光５６はＤＯＥ５０によりランダムな方向に拡散される。拡散されたレーザ光５６を集光レンズ６０を用い集光する。これにより均一面５４にはレーザ光５６が均一化された均一面５４が形成される。
【００３１】
図３（ｂ）は、カレイドスコープを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、集光レンズ６０、カレイドスコープ５８および対物レンズ６２を有している。レーザ光５６は集光レンズ６０によりカレイドスコープ５８の一端に入射する。レーザ光５６は、カレイドスコープ５８の側面で反射を繰り返すため、カレイドスコープ５８の他端に均一面５４が形成される。カレイドスコープ５８の他端から出射したレーザ光５６は対物レンズ６２により平行光となる。
【００３２】
図４（ａ）は、フライアイレンズとインテグレータレンズを組み合わせた均一光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、フライアイレンズ６４とインテグレータレンズ６６を有している。レーザ光５６はフライアイレンズ６４により複数の光５６ａに分割される。なお分割された複数の光５６ａの光軸を一点鎖線で示している。その後、インテグレータレンズ６６を介し均一面５４で複数の光５６ａが重なり合う。レーザ光５６を複数の光５６ａに分割し合成するため、均一面５４においては、レーザ光５６の強度分布が均一化する。
【００３３】
図４（ｂ）は、非球面レンズを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、第１非球面レンズ６８および第２非球面レンズ６９を有している。強度分布がガウス分布のレーザ光５６は第１非球面レンズ６８により、強度分布が一様化する。強度分布が一様化したレーザ光５６は、第２非球面レンズ６９により平行光となる。第２非球面レンズ以降に均一面５４が形成される。
【００３４】
図４（ｃ）は、光ファイバを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、集光レンズ６０、光ファイバ５２および対物レンズ６２を有している。レーザ光５６は集光レンズ６０により光ファイバ５２の一端に入射する。レーザ光５６は、光ファイバ５２内で反射を繰り返すため、光ファイバ５２の他端に均一面５４が形成される。光ファイバ５２の他端から出射したレーザ光５６は対物レンズ６２により平行光となる。光ファイバ５２としては、マルチモード光ファイバまたはシングルモードフィルタを用いることができる。マルチモード光ファイバでは、光ファイバ内を種々のモードの光が伝播する。このため、出射端面において、種々のモードで伝播してきた光が重なり合い均一化面における強度分布が均一化され易い。一方、シングルモード光ファイバでは、光がファイバ内を伝播するモードが一つであるため、出射端面での種々の伝播モードの光が重なり合わない。よって、出射端面での強度分布が均一化され難い。以上より、光ファイバ５２としては、マルチモード光ファイバを用いることが好ましい。
【００３５】
実施例１においては、第１レーザ装置１０は例えばＹＶＯ４レーザの第２高調波を出射する。第１レーザ光１２の波長は例えば約５３２ｎｍである。第２レーザ装置２０は例えば半導体レーザ装置であり、第２レーザ光の波長は例えば８０８ｎｍである。レーザ装置として半導体レーザ装置を用いる場合、大出力化のため、複数の半導体レーザ素子からのレーザ光を光ファイバを用い合成することがある。よって、第１レーザ装置１０または第２レーザ装置２０が半導体レーザ装置の場合、対応する第１光学系１４または第２光学系２４は光ファイバを用いた均一化光学系であることが好ましい。
【実施例２】
【００３６】
実施例２は、結像レンズとして色収差補正レンズを用いない例である。図５は、実施例２に係るレーザ光合成装置のブロック図である。図５に示すように、レーザ光合成装置１０２においては、結像レンズ３２が色収差補正レンズではないため、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との波長差により、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とで焦点位置が異なる。このため、ワーク４０の転写面４２に、第１均一面１６および第２均一面２６をともに転写するためには、第１レーザ光１２または第２レーザ光２２のいずれか一方を結像レンズ３２に平行光として入射させると、他方は非平行光として結像レンズ３２に入射させることとなる。図５の例では、第２レーザ光２２を結像レンズ３２に平行に入射させ、第１レーザ光１２を結像レンズ３２に非平行に入射させている。その他の構成は、実施例１の図１とおなじであり、説明を省略する。
【００３７】
実施例２において、第１レーザ光１２と第２レーザ光のいずれを平行光にすることが好ましいか検討した。図６（ａ）から図６（ｆ）は、第２レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。図６（ａ）は、第２対物レンズ２８を用い第２レーザ光２２を発散光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の結像レンズ３２以降の拡大図である。図６（ｃ）は、第２対物レンズ２８を用い第２レーザ光２２を平行光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図６（ｄ）は、図６（ｃ）の結像レンズ３２以降の拡大図である。図６（ｅ）は、第２対物レンズ２８を用い第２レーザ光２２を集束光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図６（ｄ）は、図６（ｃ）の結像レンズ３２以降の拡大図である。なお、図６（ａ）から図６（ｆ）では、レーザビーム内の光の進み方が理解し易いように第２レーザ光２２を複数の線で示している。
【００３８】
図６（ａ）、図６（ｃ）および図６（ｅ）のように、第２対物レンズ２８は、第２均一面２６を通過した第２レーザ光２２を発散光線、平行光線または集束光線とする。第２レーザ光２２はダイクロイックミラー３０を透過する。第２レーザ光２２は結像レンズ３２により焦点を結ぶ。第２レーザ光２２がダイクロイックミラー３０に入射すると第２レーザ光２２が屈折する。図６（ｃ）においては、ダイクロイックミラー３０に平行光線が入射するため、第２レーザ光２２が屈折する角度はで均一である。一方、図６（ａ）および図６（ｂ）においては、ダイクロイックミラー３０に非平行光線が入射するため、第２レーザ光２２が屈折する角度は第２レーザ光２２の入射位置によって異なる。このため、図６（ｄ）のように、ダイクロイックミラー３０に平行光線が入射する場合は、結像レンズ３２により第２レーザ光２２が結像する位置は、矢印のように光軸２９上にある。一方、図６（ｂ）および図６（ｆ）のように、ダイクロイックミラー３０に非平行光線が入射する場合は、結像レンズ３２により第２レーザ光２２が結像する位置は、光軸２９から距離ΔＬずれる。
【００３９】
図７（ａ）から図７（ｃ）は、第１レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。図７（ａ）は、第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を発散光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図７（ｂ）は、第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を平行光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図７（ｃ）は、第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を集束光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図である。
【００４０】
図７（ａ）から図７（ｃ）のように、第１対物レンズ１８は、第１均一面１６を通過した第１レーザ光１２を発散光線、平行光線または集束光線とする。第１レーザ光１２はダイクロイックミラー３０により反射される。第１レーザ光１２は結像レンズ３２により焦点を結ぶ。第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を非平行光としても、結像レンズ３２により第１レーザ光１２が焦点を結ぶ位置は光軸１９上である。
【００４１】
このように、ダイクロイックミラー３０を透過する第２レーザ光が非平行光である場合、結像レンズ３２により焦点を結ぶ位置が光軸２９からずれるため、光軸調整が難しくなる。一方、ダイクロイックミラー３０を反射する第１レーザ光が非平行光である場合、結像レンズ３２により焦点を結ぶ位置は光軸１９からずれない。このため光軸調整が難しくない
【００４２】
以上より、結像レンズ３２が色収差補正レンズでない実施例２においては、第１対物レンズ１８は第１レーザ光１２を非平行光とし、第２対物レンズ２８は第２レーザ光２２を平行光とすることが好ましい。
【００４３】
図８は、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２の調整方法を示すフローチャートである。図８に示すように、まず、光結合系３６の調整を行なう（ステップＳ１０）。例えば、第１対物レンズ１８および第２対物レンズ２８の位置を調整する。次に、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とが光軸を合わせ合成され、かつワーク４０の同じ位置に第１均一面１６と第２均一面２６とが転写されているか確認する（ステップＳ１２）。Ｙｅｓの場合、レーザ光合成装置１０２の調整は終了する。Ｎｏの場合、再度ステップＳ１０に戻る。ステップＳ１０およびＳ１２のように、光結合系３６を調整することができる。このように、第１均一面１６と第２均一面２６とが同じ位置に転写されるように、光結合系３６を調整できるため、簡単に、ワーク４０上の第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を簡単に均一化できる。なお、実施例１および３に係るレーザ光合成装置においても、図８の調整を行なうことができる。
【００４４】
図９は、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２の調整方法を示すフローチャートであり、図８の調整方法をより詳細に示した図である。図９に示すように、まず、第１対物レンズ１８と第１均一面１６との間隔を調整する（ステップＳ２０）。次に、第２対物レンズ２８と第２均一面２６との間隔を調整する（ステップＳ２２）。なお、ステップＳ２０とＳ２２との順番は逆でもよく、または同時に行ってもよい。ステップＳ２０により、第１対物レンズ１８を透過した第１レーザ光１２の結像レンズ３２に入射する際の集束・発散角（図６（ａ）から図６（ｆ）において、結像レンズ３２に入射する際の第１レーザ光１２の角度）が調整される。また、ステップＳ２２により、第２対物レンズ２８を透過した第２レーザ光２２の結像レンズ３２に入射する際の集束・発散角（図７（ａ）から図７（ｃ）において、結像レンズ３２に入射する際の第２レーザ光２２の角度）が調整される。次に、結像レンズ３２から同一の距離の位置に第１均一面１６および第２均一面２６が転写されるか確認する（ステップＳ２４）。Ｙｅｓの場合、レーザ光合成装置１０２の調整は終了する。Ｎｏの場合、再度ステップＳ２０に戻る。ステップＳ２０からＳ２４によれば、第１対物レンズ１８と第１均一面１６との間隔と、第２対物レンズ２８と第２均一面２６との間隔と、を調整する。これにより、簡単に、ワーク４０上の同じ位置に、第１均一面１６および第２均一面２６を転写することができる。よって、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を簡単に均一化できる。
【００４５】
図６（ａ）から図７（ｃ）を用い説明したように、図９の調整方法においては、ダイクロイックミラー３０の透過光が略平行光、ダイクロイックミラー３０の反射光が非平行光となるように、第１均一面１６と第１対物レンズ１８とを配置し、第２均一面２６と第２対物レンズ２８とを配置することが好ましい。
【実施例３】
【００４６】
図１０は、実施例３に係るレーザ光合成装置のブロック図である。実施例３に係るレーザ光合成装置１０４においては、第１光学系１４をフライアイレンズ６４とインテグレートレンズ６６を用い形成している。その他の構成は実施例１のズ１と同じであり説明を省略する。このように、第１光学系１４および第２光学系２４は、例えば図３（ａ）から図４（ｃ）において説明した均一化光学系またはその他の均一化光学系を用いることができる。
【実施例４】
【００４７】
実施例４は、実施例１に係るレーザ光合成装置をレーザアニール装置に用いた例である。図１１は、実施例４に係るレーザアニール装置の模式図である。実施例４に係るレーザアニール装置１０６は、主にレーザ光合成装置１００、Ｘ軸ステージ７４、回転ステージ８２、搬送ロボット９０を有している。台座７０上に、Ｘ軸ステージ用台座７２、アニールチャンバ８８、搬送チャンバ９４およびローダ／アンローダ９６が固定されている。Ｘ軸ステージ用台座７２上にはＸ軸ステージ７４が配置されている。Ｘ軸ステージ７４上には、台座７６を介しレーザ光合成装置１０２が配置されている。Ｘ軸ステージ７４により、レーザ光合成装置１０２を一軸方向に動かすことができる。
【００４８】
アニールチャンバ８８内には回転ステージ８２が配置されている。回転ステージ８２上にはワークとして例えば半導体ウエハ（例えばシリコンウエハ）８０が配置される。回転ステージ８２は軸８４を中心に回転する。アニールチャンバ８８には、第１レーザ光１２および第２レーザ光２２が透過する窓８６が設けられている。
【００４９】
搬送チャンバ９４内には搬送ロボット９０が配置されている。搬送ロボット９０にはベルヌイチャック９２が設けられている。ベルヌイチャック９２は半導体ウエハ８０を保持する。搬送ロボット９０は、半導体ウエハ８０をローダ／アンローダ９６から回転ステージ８２上に配置させる。また、搬送ロボット９０は、半導体ウエハ８０を回転ステージ８２からローダ／アンローダ９６にアンロードする。
【００５０】
実施例４係るレーザアニール装置１０６においては、レーザ光の照射位置を、Ｘ軸ステージを用い一軸方向に移動させる。さらに、回転ステージ８２を回転させることにより、半導体ウエハ８０の任意の位置に第１レーザ光１２および第２レーザ光２２を照射することができる。
【００５１】
実施例４によれば、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２を用い合成した第１レーザ光１２および第２レーザ光２２を半導体ウエハ８０の同じ位置（第１均一面１６と第２均一面が転写された位置）に照射し、熱処理する。これにより、半導体ウエハ８０の温度分布を抑制できる。よって、均一な熱処理が可能となる。
【００５２】
実施例４は、実施例１に係るレーザ光合成装置１００を用いるレーザアニール装置の例であったが、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２または実施例３に係るレーザ光合成装置１０４を用いてもよい。
【００５３】
実施例１から実施例４において、第１レーザ装置１０および第２レーザ装置２０は、波長の異なる第１レーザ光１２および第２レーザ光２２を出射すればよい。例えば、第１レーザ光１２として約５００ｎｍの波長の光を用いる場合、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザの第２高調波を第１レーザ光１２として用いることができる。光合成系としてダイクロイックミラー３０を用いる場合、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２の波長は、５０ｎｍ以上異なっていることが好ましく、１００ｎｍ以上異なっていることが好ましい。また、色収差に起因して、ワーク上の同一箇所においてレーザビームの強度分布を均一化することができないという課題が生じるのは、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との波長が大きく異なっている場合である。よって、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との波長は、１００ｎｍ以上異なっていることが好ましく、２００ｎｍ以上異なっていることが好ましい。さらに、第１レーザ装置１０および第２レーザ装置２０は、ＣＷレーザでもよいし、パルスレーザでもよい。
【００５４】
実施例１から実施例４においては、第１レーザ光１２の光軸１９と第２レーザ光２２の光軸２９とを合わせ、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とをワーク４０の同じ位置に照射する場合を例に説明したが、光軸１９と光軸２９とは合っていなくてもよい。例えば、光軸１９と光軸２９とをずらしておき、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とのいずれか一方がワーク４０上のある位置に照射されてから第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との他方が同じ位置に照射されるようにすることもできる。例えば、レーザアニール装置において、ワーク（半導体ウエハ）上のある位置に第１レーザ光２２を照射し、第１レーザ光２２の効果が残っている間（例えばワークの温度が下がる前）に第２レーザ光を同じある位置に照射すればよく、光軸１９と光軸２９とは合っていなくてもよい。このように、結像レンズ３２から第１均一面１６が転写される面までの距離と、結像レンズ３２から第２均一面２６が転写される面までの距離と、が等しければよい。
【００５５】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 第１レーザ装置
１２ 第１レーザ光
１４ 第１光学系
１６ 第１均一面
１８ 第１対物レンズ
１９、２９ 光軸
２０ 第２レーザ装置
２２ 第２レーザ光
２４ 第２光学系
２６ 第２均一面
２８ 第２対物レンズ
３０ ダイクロイックミラー
３２ 結像レンズ
３６ 光結合系
４０ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光合成装置、レーザアニール装置およびレーザアニール方法に関し、例えば異なる波長の複数のレーザ光を合成するレーザ光合成装置、レーザアニール装置およびレーザアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長の異なる複数のレーザ光を、半導体基板等のワークの同一箇所に同時に照射するレーザ照射装置が知られている。例えば、特許文献１〜５には、シリコン基板またはシリコン膜に波長の異なる２つのレーザ光を照射する半導体装置の製造方法またはレーザアニール装置が開示されている。特許文献１には、約５００ｎｍの波長を有する可視光域のパルスレーザ光と約２５０ｎｍの波長を有する紫外域のパルスレーザ光を、例えばアモルファスシリコン膜に照射することが記載されている。これにより、アモルファスシリコン膜が一定温度に保持される時間を増加させることができる。
【０００３】
また、特許文献２および３には、約１μｍの波長を有する連続発振（ＣＷ）レーザ光と約５００ｎｍの波長を有するＣＷレーザ光を例えばアモルファスシリコン膜に照射することが記載されている。これにより、照射むらを抑制し、均一なレーザ処理を行うこと、または、シリコン膜上に形成される結晶性不良領域を小さくすることができる。
【０００４】
特許文献４、５には、波長の異なるレーザ光をイオン注入された半導体基板に同時に照射することにより、より深い活性化を得ることが記載されている。
【０００５】
特許文献６には、レーザビームの強度分布の均一化のため、非球面レンズを用いることが記載されている。特許文献７には、レーザ光にカレイドスコープを通過させることにより、レーザビームの強度分布を均一化することが記載されている。特許文献８には、レーザ光に光ファイバを通過させることにより、レーザビームの強度分布を均一化することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２４８４号公報
【特許文献２】特開２００４−１２８４２１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８２０６０号公報
【特許文献４】国際公開２００７／０１５３８８号
【特許文献５】特開２００９−３０２２１４号公報
【特許文献６】特開２００５−１４８３４４号公報
【特許文献７】特開２００８−５３３１７号公報
【特許文献８】特開２００３−１１２２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ワークにレーザ光を照射する場合、レーザビームの強度分布を均一にすることが求められる。例えば、特許文献４および５のように、レーザ光を用い半導体基板を熱処理する場合、レーザビームに強度分布があると、レーザビームが照射された半導体基板に温度分布が生じてしまう。波長の異なる複数のレーザ光をワーク上の同一箇所に照射する場合、レーザビームの強度分布の均一化を行うと、色収差に起因し、ワーク上の同一箇所においてレーザビームの強度分布を均一化することができない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、複数のレーザビームの強度分布を均一化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１レーザ光の強度分布を均一化した第１均一面を形成する第１光学系と、前記第１レーザ光と波長の異なる第２レーザ光の強度分布を均一化した第２均一面を形成する第２光学系と、前記第１レーザ光と前記第２レーザとを合成する光合成系と、ワーク上に前記第１均一面と前記第２均一面とを転写する光結合系と、を具備することを特徴とするレーザ光合成装置である。本発明によれば、複数のレーザビームの強度分布を均一化することができる。
【００１０】
上記構成において、前記光結合系は、前記光合成系と前記第１均一面との間に配置された第１対物レンズと、前記光合成系と前記第２均一面との間に配置された第２対物レンズと、前記光合成系と前記ワークとの間に配置された結像レンズとを含む構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記光合成系は、ダイクロイックミラーである構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記光合成系は、ダイクロイックミラーであり、前記第１レーザ光は前記ダイクロイックミラーで反射され、前記第２レーザ光は前記ダイクロイックミラーを透過する構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記結像レンズは色収差補正レンズではなく、前記第１対物レンズと前記第１均一面との間隔および前記第２対物レンズと前記第２均一面との間隔が調整されることにより、前記第１対物レンズを透過した前記第１レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角および前記第２対物レンズを透過した前記第２レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角が調整され、前記結像レンズから同一の距離の位置に前記第１均一面および前記第２均一面が転写される構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記結像レンズは色収差補正レンズでなく、前記ダイクロイックミラーの透過光が略平行光、前記ダイクロイックミラーの反射光が非平行光となるように、前記第１均一面と前記第１対物レンズとが配置され、前記第２均一面と前記第２対物レンズとが配置される構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記結像レンズは色収差補正レンズである構成とすることができる。
【００１６】
本発明は、上記レーザ光合成装置を含み、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理することを特徴とするレーザアニール装置である。
【００１７】
本発明は、上記レーザアニール装置を用い、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理するステップを含むことを特徴とするレーザアニール方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数のレーザビームの強度分布を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１に係るレーザ光合成装置のブロック図である。
【図２】図２は、光結合系の別の例を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は、ＤＯＥを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。図３（ｂ）は、カレイドスコープを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）は、フライアイレンズとインテグレータレンズを組み合わせた均一光学系の例を示す模式図である。図４（ｂ）は、非球面レンズを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。図４（ｃ）は、光ファイバを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。
【図５】図５は、実施例２に係るレーザ光合成装置のブロック図である。
【図６】図６（ａ）から図６（ｆ）は、第２レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。
【図７】図７（ａ）から図７（ｃ）は、第１レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。
【図８】図８は、実施例２に係るレーザ光合成装置の調整方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、実施例２に係るレーザ光合成装置の調整方法を示すフローチャートであり、図８の調整方法をより詳細に示した図である。
【図１０】図１０は、実施例３に係るレーザ光合成装置のブロック図である。
【図１１】図１１は、実施例４に係るレーザアニール装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
実施例１は、結像レンズとして色収差補正レンズを用いる例である。図１は、実施例１に係るレーザ光合成装置のブロック図である。図１に示すように、レーザ光合成装置１００は、主に第１レーザ装置１０、第１光学系１４、第２レーザ装置２０、第２光学系２４、ダイクロイックミラー３０および光結合系３６を備えている。第１レーザ装置１０は、第１レーザ光１２を出射する。エキスパンダ３４は、第１レーザ装置１０が出射した第１レーザ光１２が第１光学系１４に入射する際の、レーザビームの径および、レーザビームの集束発散を調整するために設けられている。第１光学系１４の設計あるいは、第１レーザ装置１０の特性によっては、エキスパンダ３４を設けなくともよい。第１光学系１４は、第１レーザ光１２の強度分布を均一化し、第１均一面１６を形成する。第１レーザ装置１０から出射された第１レーザ光１２の断面の強度分布は、例えばガウス分布である。第１光学系１４は、第１均一面１６において、第１レーザ光１２の断面の強度分布がほぼ均一となるようにする。なお、第１均一面１６において、第１レーザ光１２の断面の光強度は均一であることが好ましいが、第１レーザ装置１０から出射された際の第１レーザ光１２の断面の強度分布より均一化されていればよい。
【００２２】
第２レーザ装置２０は、第１レーザ光１２と波長の異なる第２レーザ光２２を出射する。第２光学系２４は、第２レーザ光２２の強度分布を均一化し、第２均一面２６を形成する。なお、第２均一面２６において、第２レーザ光２２の断面の光強度は均一であることが好ましいが、第２レーザ装置２０から出射された際の第２レーザ光２２の断面の強度分布より均一化されていればよい。
【００２３】
ダイクロイックミラー３０は、光合成系として、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との光軸１９および２９を合わせ合成する。光結合系３６は、ワーク４０のほぼ同じ位置（転写面４２）に第１均一面１６と第２均一面２６とを転写する。光結合系３６は、第１対物レンズ１８、第２対物レンズ２８および結像レンズ３２を備えている。第１対物レンズ１８は、第１均一面１６とダイクロイックミラー３０との間に配置され、第２対物レンズ２８は、第２均一面２６とダイクロイックミラー３０との間に配置されている。結像レンズ３２は、ダイクロイックミラー３０とワーク４０との間に配置されている。
【００２４】
第１対物レンズ１８は、第１均一面１６からの第１レーザ光１２をほぼ平行光とする。第２対物レンズ２８は、第２均一面２６からの第２レーザ光２２をほぼ平行光とする。ダイクロイックミラー３０は、第１レーザ光１２をほぼ１００％反射し、第２レーザ光２２をほぼ１００％透過させる。これにより、第１レーザ光１２の光軸１９と第２レーザ光２２の光軸２９とを合わせることができる。これにより、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とをワーク４０上の転写面４２に照射させることができる。
【００２５】
実施例１によれば、第１光学系１４および第２光学系２４がそれぞれ第１レーザ光１２および第２レーザ光２２の強度分布を均一化する。ダイクロイックミラー３０が、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを光軸を合わせ合成する。光結合系３６が、ワーク４０の同じ位置に第１均一面１６と第２均一面２６を転写する。このように、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２の光軸とを合わせる前に、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を均一化するため、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とのそれぞれについて強度分布を均一化した第１均一面１６および第２均一面２６を形成できる。その後、ダイクロイックミラー３０が、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを光軸を合わせ、光結合系３６が、ワーク４０の同じ位置に第１均一面１６と第２均一面２６を転写する。これにより、ワーク４０上のほぼ同じ位置において第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を均一化できる。よって、例えば、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とを用いワーク４０を熱処理する場合、熱処理の温度分布を均一化できる。
【００２６】
図２は、光結合系の別の例を示す模式図である。光結合系３６として、第１転写レンズ１８ａと第２転写レンズ２８ａとを含んでいる。第１転写レンズ１８ａは、第１対物レンズ１８と結像レンズ３２とを共通化したレンズである。第２転写レンズ２８ａは、第２対物レンズ２８と結像レンズ３２とを共通化したレンズである。このように、光結合系３６として、第１転写レンズ１８ａおよび第２転写レンズ２８ａを用いることもできる。しかしながら、第１対物レンズ１８をダイクロイックミラー３０と第１均一面１６との間に配置し、第２対物レンズ２８をダイクロイックミラー３０と第２均一面２６との間に配置し、結像レンズ３２をダイクロイックミラー３０とワーク４０との間に配置することが好ましい。これにより、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との光軸合わせが容易となる。
【００２７】
また、光合成系としては、ダイクロイックミラー３０以外の光学系を用いることもできる。実施例１のように、光合成系として、ダイクロイックミラー３０を用い、第１レーザ光１２はダイクロイックミラー３０で反射され、第２レーザ光２２はダイクロイックミラー３０を透過するようにする。これにより、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との光軸を容易に合わせることができる。
【００２８】
結像レンズ３２として色収差補正レンズを用いることが好ましい。色収差補正レンズを用いた場合、第１対物レンズ１８と第１均一面１６との距離を第１対物レンズ１８の第１レーザ光１２の波長における焦点距離とする。これにより、第１レーザ光１２はほぼ平行光としてダイクロイックミラー３０に照射される。また、第２対物レンズ２８と第２均一面２６との距離を第２対物レンズ２８の第２レーザ光２２の波長における焦点距離とする。これにより、第２レーザ光２２はほぼ平行光としてダイクロイックミラー３０に照射される。これにより、結像レンズ３２の焦点位置に第１均一面１６と第２均一面２６とが転写される。よって、ワーク４０のほぼ同じ位置に照射される第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を均一にすることができる。
【００２９】
第１光学系１４および第２光学系２４は、レーザビームの強度分布を均一化する光学系であればよい。例えば、実施例１においては、第１光学系１４は、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）を用いる例であり、第２光学系２４はマルチモード光ファイバを用いる例である。
【００３０】
図３（ａ）は、ＤＯＥを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、ＤＯＥ５０と集光レンズ６０とを有している。レーザ光５６はＤＯＥ５０によりランダムな方向に拡散される。拡散されたレーザ光５６を集光レンズ６０を用い集光する。これにより均一面５４にはレーザ光５６が均一化された均一面５４が形成される。
【００３１】
図３（ｂ）は、カレイドスコープを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、集光レンズ６０、カレイドスコープ５８および対物レンズ６２を有している。レーザ光５６は集光レンズ６０によりカレイドスコープ５８の一端に入射する。レーザ光５６は、カレイドスコープ５８の側面で反射を繰り返すため、カレイドスコープ５８の他端に均一面５４が形成される。カレイドスコープ５８の他端から出射したレーザ光５６は対物レンズ６２により平行光となる。
【００３２】
図４（ａ）は、フライアイレンズとインテグレータレンズを組み合わせた均一光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、フライアイレンズ６４とインテグレータレンズ６６を有している。レーザ光５６はフライアイレンズ６４により複数の光５６ａに分割される。なお分割された複数の光５６ａの光軸を一点鎖線で示している。その後、インテグレータレンズ６６を介し均一面５４で複数の光５６ａが重なり合う。レーザ光５６を複数の光５６ａに分割し合成するため、均一面５４においては、レーザ光５６の強度分布が均一化する。
【００３３】
図４（ｂ）は、非球面レンズを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、第１非球面レンズ６８および第２非球面レンズ６９を有している。強度分布がガウス分布のレーザ光５６は第１非球面レンズ６８により、強度分布が一様化する。強度分布が一様化したレーザ光５６は、第２非球面レンズ６９により平行光となる。第２非球面レンズ以降に均一面５４が形成される。
【００３４】
図４（ｃ）は、光ファイバを用いた均一化光学系の例を示す模式図である。均一化光学系は、集光レンズ６０、光ファイバ５２および対物レンズ６２を有している。レーザ光５６は集光レンズ６０により光ファイバ５２の一端に入射する。レーザ光５６は、光ファイバ５２内で反射を繰り返すため、光ファイバ５２の他端に均一面５４が形成される。光ファイバ５２の他端から出射したレーザ光５６は対物レンズ６２により平行光となる。光ファイバ５２としては、マルチモード光ファイバまたはシングルモードフィルタを用いることができる。マルチモード光ファイバでは、光ファイバ内を種々のモードの光が伝播する。このため、出射端面において、種々のモードで伝播してきた光が重なり合い均一化面における強度分布が均一化され易い。一方、シングルモード光ファイバでは、光がファイバ内を伝播するモードが一つであるため、出射端面での種々の伝播モードの光が重なり合わない。よって、出射端面での強度分布が均一化され難い。以上より、光ファイバ５２としては、マルチモード光ファイバを用いることが好ましい。
【００３５】
実施例１においては、第１レーザ装置１０は例えばＹＶＯ４レーザの第２高調波を出射する。第１レーザ光１２の波長は例えば約５３２ｎｍである。第２レーザ装置２０は例えば半導体レーザ装置であり、第２レーザ光の波長は例えば８０８ｎｍである。レーザ装置として半導体レーザ装置を用いる場合、大出力化のため、複数の半導体レーザ素子からのレーザ光を光ファイバを用い合成することがある。よって、第１レーザ装置１０または第２レーザ装置２０が半導体レーザ装置の場合、対応する第１光学系１４または第２光学系２４は光ファイバを用いた均一化光学系であることが好ましい。
【実施例２】
【００３６】
実施例２は、結像レンズとして色収差補正レンズを用いない例である。図５は、実施例２に係るレーザ光合成装置のブロック図である。図５に示すように、レーザ光合成装置１０２においては、結像レンズ３２が色収差補正レンズではないため、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との波長差により、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とで焦点位置が異なる。このため、ワーク４０の転写面４２に、第１均一面１６および第２均一面２６をともに転写するためには、第１レーザ光１２または第２レーザ光２２のいずれか一方を結像レンズ３２に平行光として入射させると、他方は非平行光として結像レンズ３２に入射させることとなる。図５の例では、第２レーザ光２２を結像レンズ３２に平行に入射させ、第１レーザ光１２を結像レンズ３２に非平行に入射させている。その他の構成は、実施例１の図１とおなじであり、説明を省略する。
【００３７】
実施例２において、第１レーザ光１２と第２レーザ光のいずれを平行光にすることが好ましいか検討した。図６（ａ）から図６（ｆ）は、第２レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。図６（ａ）は、第２対物レンズ２８を用い第２レーザ光２２を発散光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の結像レンズ３２以降の拡大図である。図６（ｃ）は、第２対物レンズ２８を用い第２レーザ光２２を平行光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図６（ｄ）は、図６（ｃ）の結像レンズ３２以降の拡大図である。図６（ｅ）は、第２対物レンズ２８を用い第２レーザ光２２を集束光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図６（ｄ）は、図６（ｃ）の結像レンズ３２以降の拡大図である。なお、図６（ａ）から図６（ｆ）では、レーザビーム内の光の進み方が理解し易いように第２レーザ光２２を複数の線で示している。
【００３８】
図６（ａ）、図６（ｃ）および図６（ｅ）のように、第２対物レンズ２８は、第２均一面２６を通過した第２レーザ光２２を発散光線、平行光線または集束光線とする。第２レーザ光２２はダイクロイックミラー３０を透過する。第２レーザ光２２は結像レンズ３２により焦点を結ぶ。第２レーザ光２２がダイクロイックミラー３０に入射すると第２レーザ光２２が屈折する。図６（ｃ）においては、ダイクロイックミラー３０に平行光線が入射するため、第２レーザ光２２が屈折する角度はで均一である。一方、図６（ａ）および図６（ｂ）においては、ダイクロイックミラー３０に非平行光線が入射するため、第２レーザ光２２が屈折する角度は第２レーザ光２２の入射位置によって異なる。このため、図６（ｄ）のように、ダイクロイックミラー３０に平行光線が入射する場合は、結像レンズ３２により第２レーザ光２２が結像する位置は、矢印のように光軸２９上にある。一方、図６（ｂ）および図６（ｆ）のように、ダイクロイックミラー３０に非平行光線が入射する場合は、結像レンズ３２により第２レーザ光２２が結像する位置は、光軸２９から距離ΔＬずれる。
【００３９】
図７（ａ）から図７（ｃ）は、第１レーザ光のダイクロイックミラーへの入射状態に対する結像レンズ通過後の集光位置を示す図である。図７（ａ）は、第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を発散光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図７（ｂ）は、第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を平行光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図であり、図７（ｃ）は、第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を集束光線としてダイクロイックミラー３０に入射させた場合の図である。
【００４０】
図７（ａ）から図７（ｃ）のように、第１対物レンズ１８は、第１均一面１６を通過した第１レーザ光１２を発散光線、平行光線または集束光線とする。第１レーザ光１２はダイクロイックミラー３０により反射される。第１レーザ光１２は結像レンズ３２により焦点を結ぶ。第１対物レンズ１８を用い第１レーザ光１２を非平行光としても、結像レンズ３２により第１レーザ光１２が焦点を結ぶ位置は光軸１９上である。
【００４１】
このように、ダイクロイックミラー３０を透過する第２レーザ光が非平行光である場合、結像レンズ３２により焦点を結ぶ位置が光軸２９からずれるため、光軸調整が難しくなる。一方、ダイクロイックミラー３０を反射する第１レーザ光が非平行光である場合、結像レンズ３２により焦点を結ぶ位置は光軸１９からずれない。このため光軸調整が難しくない
【００４２】
以上より、結像レンズ３２が色収差補正レンズでない実施例２においては、第１対物レンズ１８は第１レーザ光１２を非平行光とし、第２対物レンズ２８は第２レーザ光２２を平行光とすることが好ましい。
【００４３】
図８は、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２の調整方法を示すフローチャートである。図８に示すように、まず、光結合系３６の調整を行なう（ステップＳ１０）。例えば、第１対物レンズ１８および第２対物レンズ２８の位置を調整する。次に、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とが光軸を合わせ合成され、かつワーク４０の同じ位置に第１均一面１６と第２均一面２６とが転写されているか確認する（ステップＳ１２）。Ｙｅｓの場合、レーザ光合成装置１０２の調整は終了する。Ｎｏの場合、再度ステップＳ１０に戻る。ステップＳ１０およびＳ１２のように、光結合系３６を調整することができる。このように、第１均一面１６と第２均一面２６とが同じ位置に転写されるように、光結合系３６を調整できるため、簡単に、ワーク４０上の第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を簡単に均一化できる。なお、実施例１および３に係るレーザ光合成装置においても、図８の調整を行なうことができる。
【００４４】
図９は、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２の調整方法を示すフローチャートであり、図８の調整方法をより詳細に示した図である。図９に示すように、まず、第１対物レンズ１８と第１均一面１６との間隔を調整する（ステップＳ２０）。次に、第２対物レンズ２８と第２均一面２６との間隔を調整する（ステップＳ２２）。なお、ステップＳ２０とＳ２２との順番は逆でもよく、または同時に行ってもよい。ステップＳ２０により、第１対物レンズ１８を透過した第１レーザ光１２の結像レンズ３２に入射する際の集束・発散角（図６（ａ）から図６（ｆ）において、結像レンズ３２に入射する際の第１レーザ光１２の角度）が調整される。また、ステップＳ２２により、第２対物レンズ２８を透過した第２レーザ光２２の結像レンズ３２に入射する際の集束・発散角（図７（ａ）から図７（ｃ）において、結像レンズ３２に入射する際の第２レーザ光２２の角度）が調整される。次に、結像レンズ３２から同一の距離の位置に第１均一面１６および第２均一面２６が転写されるか確認する（ステップＳ２４）。Ｙｅｓの場合、レーザ光合成装置１０２の調整は終了する。Ｎｏの場合、再度ステップＳ２０に戻る。ステップＳ２０からＳ２４によれば、第１対物レンズ１８と第１均一面１６との間隔と、第２対物レンズ２８と第２均一面２６との間隔と、を調整する。これにより、簡単に、ワーク４０上の同じ位置に、第１均一面１６および第２均一面２６を転写することができる。よって、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との強度分布を簡単に均一化できる。
【００４５】
図６（ａ）から図７（ｃ）を用い説明したように、図９の調整方法においては、ダイクロイックミラー３０の透過光が略平行光、ダイクロイックミラー３０の反射光が非平行光となるように、第１均一面１６と第１対物レンズ１８とを配置し、第２均一面２６と第２対物レンズ２８とを配置することが好ましい。
【実施例３】
【００４６】
図１０は、実施例３に係るレーザ光合成装置のブロック図である。実施例３に係るレーザ光合成装置１０４においては、第１光学系１４をフライアイレンズ６４とインテグレートレンズ６６を用い形成している。その他の構成は実施例１のズ１と同じであり説明を省略する。このように、第１光学系１４および第２光学系２４は、例えば図３（ａ）から図４（ｃ）において説明した均一化光学系またはその他の均一化光学系を用いることができる。
【実施例４】
【００４７】
実施例４は、実施例１に係るレーザ光合成装置をレーザアニール装置に用いた例である。図１１は、実施例４に係るレーザアニール装置の模式図である。実施例４に係るレーザアニール装置１０６は、主にレーザ光合成装置１００、Ｘ軸ステージ７４、回転ステージ８２、搬送ロボット９０を有している。台座７０上に、Ｘ軸ステージ用台座７２、アニールチャンバ８８、搬送チャンバ９４およびローダ／アンローダ９６が固定されている。Ｘ軸ステージ用台座７２上にはＸ軸ステージ７４が配置されている。Ｘ軸ステージ７４上には、台座７６を介しレーザ光合成装置１０２が配置されている。Ｘ軸ステージ７４により、レーザ光合成装置１０２を一軸方向に動かすことができる。
【００４８】
アニールチャンバ８８内には回転ステージ８２が配置されている。回転ステージ８２上にはワークとして例えば半導体ウエハ（例えばシリコンウエハ）８０が配置される。回転ステージ８２は軸８４を中心に回転する。アニールチャンバ８８には、第１レーザ光１２および第２レーザ光２２が透過する窓８６が設けられている。
【００４９】
搬送チャンバ９４内には搬送ロボット９０が配置されている。搬送ロボット９０にはベルヌイチャック９２が設けられている。ベルヌイチャック９２は半導体ウエハ８０を保持する。搬送ロボット９０は、半導体ウエハ８０をローダ／アンローダ９６から回転ステージ８２上に配置させる。また、搬送ロボット９０は、半導体ウエハ８０を回転ステージ８２からローダ／アンローダ９６にアンロードする。
【００５０】
実施例４係るレーザアニール装置１０６においては、レーザ光の照射位置を、Ｘ軸ステージを用い一軸方向に移動させる。さらに、回転ステージ８２を回転させることにより、半導体ウエハ８０の任意の位置に第１レーザ光１２および第２レーザ光２２を照射することができる。
【００５１】
実施例４によれば、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２を用い合成した第１レーザ光１２および第２レーザ光２２を半導体ウエハ８０の同じ位置（第１均一面１６と第２均一面が転写された位置）に照射し、熱処理する。これにより、半導体ウエハ８０の温度分布を抑制できる。よって、均一な熱処理が可能となる。
【００５２】
実施例４は、実施例１に係るレーザ光合成装置１００を用いるレーザアニール装置の例であったが、実施例２に係るレーザ光合成装置１０２または実施例３に係るレーザ光合成装置１０４を用いてもよい。
【００５３】
実施例１から実施例４において、第１レーザ装置１０および第２レーザ装置２０は、波長の異なる第１レーザ光１２および第２レーザ光２２を出射すればよい。例えば、第１レーザ光１２として約５００ｎｍの波長の光を用いる場合、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザの第２高調波を第１レーザ光１２として用いることができる。光合成系としてダイクロイックミラー３０を用いる場合、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２の波長は、５０ｎｍ以上異なっていることが好ましく、１００ｎｍ以上異なっていることが好ましい。また、色収差に起因して、ワーク上の同一箇所においてレーザビームの強度分布を均一化することができないという課題が生じるのは、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との波長が大きく異なっている場合である。よって、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との波長は、１００ｎｍ以上異なっていることが好ましく、２００ｎｍ以上異なっていることが好ましい。さらに、第１レーザ装置１０および第２レーザ装置２０は、ＣＷレーザでもよいし、パルスレーザでもよい。
【００５４】
実施例１から実施例４においては、第１レーザ光１２の光軸１９と第２レーザ光２２の光軸２９とを合わせ、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とをワーク４０の同じ位置に照射する場合を例に説明したが、光軸１９と光軸２９とは合っていなくてもよい。例えば、光軸１９と光軸２９とをずらしておき、第１レーザ光１２と第２レーザ光２２とのいずれか一方がワーク４０上のある位置に照射されてから第１レーザ光１２と第２レーザ光２２との他方が同じ位置に照射されるようにすることもできる。例えば、レーザアニール装置において、ワーク（半導体ウエハ）上のある位置に第１レーザ光２２を照射し、第１レーザ光２２の効果が残っている間（例えばワークの温度が下がる前）に第２レーザ光を同じある位置に照射すればよく、光軸１９と光軸２９とは合っていなくてもよい。このように、結像レンズ３２から第１均一面１６が転写される面までの距離と、結像レンズ３２から第２均一面２６が転写される面までの距離と、が等しければよい。
【００５５】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 第１レーザ装置
１２ 第１レーザ光
１４ 第１光学系
１６ 第１均一面
１８ 第１対物レンズ
１９、２９ 光軸
２０ 第２レーザ装置
２２ 第２レーザ光
２４ 第２光学系
２６ 第２均一面
２８ 第２対物レンズ
３０ ダイクロイックミラー
３２ 結像レンズ
３６ 光結合系
４０ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１レーザ光の強度分布を均一化した第１均一面を形成する第１光学系と、
前記第１レーザ光と波長の異なる第２レーザ光の強度分布を均一化した第２均一面を形成する第２光学系と、
前記第１レーザ光と前記第２レーザとを合成する光合成系と、
ワーク上に前記第１均一面と前記第２均一面とを転写する光結合系と、
を具備することを特徴とするレーザ光合成装置。
【請求項２】
前記光結合系は、前記光合成系と前記第１均一面との間に配置された第１対物レンズと、前記光合成系と前記第２均一面との間に配置された第２対物レンズと、前記光合成系と前記ワークとの間に配置された結像レンズとを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ光合成装置。
【請求項３】
前記光合成系は、ダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光合成装置。
【請求項４】
前記光合成系は、ダイクロイックミラーであり、前記第１レーザ光は前記ダイクロイックミラーで反射され、前記第２レーザ光は前記ダイクロイックミラーを透過することを特徴とする請求項２記載のレーザ光合成装置。
【請求項５】
前記結像レンズは色収差補正レンズではなく、
前記第１対物レンズと前記第１均一面との間隔および前記第２対物レンズと前記第２均一面との間隔が調整されることにより、前記第１対物レンズを透過した前記第１レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角および前記第２対物レンズを透過した前記第２レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角が調整され、前記結像レンズから同一の距離の位置に前記第１均一面および前記第２均一面が転写されることを特徴とする請求項４記載のレーザ光合成装置。
【請求項６】
前記結像レンズは色収差補正レンズでなく、
前記ダイクロイックミラーの透過光が略平行光、前記ダイクロイックミラーの反射光が非平行光となるように、前記第１均一面と前記第１対物レンズとが配置され、前記第２均一面と前記第２対物レンズとが配置されることを特徴とする請求項４記載のレーザ光合成装置。
【請求項７】
前記結像レンズは色収差補正レンズであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光合成装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項記載のレーザ光合成装置を含み、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理することを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項９】
請求項８記載のレーザアニール装置を用い、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理するステップを含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項１】
第１レーザ光の強度分布を均一化した第１均一面を形成する第１光学系と、
前記第１レーザ光と波長の異なる第２レーザ光の強度分布を均一化した第２均一面を形成する第２光学系と、
前記第１レーザ光と前記第２レーザとを合成する光合成系と、
ワーク上に前記第１均一面と前記第２均一面とを転写する光結合系と、
を具備することを特徴とするレーザ光合成装置。
【請求項２】
前記光結合系は、前記光合成系と前記第１均一面との間に配置された第１対物レンズと、前記光合成系と前記第２均一面との間に配置された第２対物レンズと、前記光合成系と前記ワークとの間に配置された結像レンズとを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ光合成装置。
【請求項３】
前記光合成系は、ダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光合成装置。
【請求項４】
前記光合成系は、ダイクロイックミラーであり、前記第１レーザ光は前記ダイクロイックミラーで反射され、前記第２レーザ光は前記ダイクロイックミラーを透過することを特徴とする請求項２記載のレーザ光合成装置。
【請求項５】
前記結像レンズは色収差補正レンズではなく、
前記第１対物レンズと前記第１均一面との間隔および前記第２対物レンズと前記第２均一面との間隔が調整されることにより、前記第１対物レンズを透過した前記第１レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角および前記第２対物レンズを透過した前記第２レーザ光の前記結像レンズに入射する際の集束・発散角が調整され、前記結像レンズから同一の距離の位置に前記第１均一面および前記第２均一面が転写されることを特徴とする請求項４記載のレーザ光合成装置。
【請求項６】
前記結像レンズは色収差補正レンズでなく、
前記ダイクロイックミラーの透過光が略平行光、前記ダイクロイックミラーの反射光が非平行光となるように、前記第１均一面と前記第１対物レンズとが配置され、前記第２均一面と前記第２対物レンズとが配置されることを特徴とする請求項４記載のレーザ光合成装置。
【請求項７】
前記結像レンズは色収差補正レンズであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光合成装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項記載のレーザ光合成装置を含み、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理することを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項９】
請求項８記載のレーザアニール装置を用い、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記ワークに照射することにより、前記ワークを熱処理するステップを含むことを特徴とするレーザアニール方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５５１１１（Ｐ２０１３−５５１１１Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９０５５１（Ｐ２０１１−１９０５５１）
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（３０３００６９１６）フェトン株式会社 (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（３０３００６９１６）フェトン株式会社 (13)
【Ｆターム（参考）】
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