JPH11317385A - マルチレ―ザ燃焼式表面処理 - Google Patents

マルチレ―ザ燃焼式表面処理

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JPH11317385A
JPH11317385A JP11043513A JP4351399A JPH11317385A JP H11317385 A JPH11317385 A JP H11317385A JP 11043513 A JP11043513 A JP 11043513A JP 4351399 A JP4351399 A JP 4351399A JP H11317385 A JPH11317385 A JP H11317385A
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laser
pulse
pulses
sub
laser beam
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JP11043513A
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Boris Lev Livshits
レブ リブシッツ ボリス
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Oramir Semiconductor Equipment Ltd
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Oramir Semiconductor Equipment Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザビームの照射によるマルチレーザ燃焼
式（ＭＬＣ）表面処理のための方法を提供する。 【解決手段】 同期化したパルスと制御されたディレイ
とを有する複数のレーザビームを生成し、これらのビー
ムを単一のビームに統合し、この単一のビームの各パル
スを一定数のサブパルスに光学的に分割する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ表面処理に関
し、より詳細には、各種製造工程において半導体ウェー
ハなどの基板の表面から、高能率でかつ損傷を与えるこ
となく、フォトレジストや粒子などの異物をＵＶレーザ
によって除去できるようにしたレーザビームの生成方法
および装置に関するもので、更にはレーザビームを上記
方法及び装置で発生させるようにした表面処理に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】各種製品を製造する場合、表面上に保護
層を設けることが必要であり、該保護層は、特定の製造
工程が終った後で除去しなければならない。このような
処理工程の例として、いわゆる「マスキング」がある。
マスキングでは、マスクを通して照射の行われた保護材
料層を用いて表面上にパターンを作り、そして該表面を
現像液で処理してマスキングされていない部分から材料
を除去し、これにより予定のパターンが残る。次いで表
面を、イオン注入又はエッチング液で処理し、表面のマ
スキングされていない部分内に注入種を導入するか、或
いはマスキングされていない部分から材料を除去する。
これらの処理が完了すると、保護マスクの役割は終了す
るので除去しなければならない。この処理工程は、慣用
のものでかつよく知られており、例えば米国特許第５，
１１４，８３４号に記載されている。
【０００３】最新のＶＬＳＩ／ＵＬＳＩ（Very/Ultra L
arge Scale Integration）回路産業では、主に２つのフ
ォトレジスト除去法が用いられている。 １）酸や有機溶剤を用いる湿式除去 ２）プラズマ、Ｏ3、Ｏ3／Ｎ2Ｏ、又はＵＶ／Ｏ3によっ
て除去を行う乾式除去
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特に、ＶＬＳＩ／ＵＬ
ＳＩ産業における将来の小型化を考えると、上記の方法
は何れも問題があり完全なものからはほど遠い。現在の
技術では、形状寸法が０．５ ｍ程度のデバイスは処理
可能であるが、今世紀末までには、加工可能なデバイス
の大きさを０．２５ ｍまで減少させなければならない
ことが予想される。この予測される寸法変化のために、
製造技術、特に除去工程の大幅な変更が必要となる。上
述のフォトレジスト除去技術は、以下に記載するよう
に、将来のデバイスには不適切なものとなってしまうで
あろう。
【０００５】湿式除去法は、フォトレジストの化学的及
び物理的特性を変化させフォトレジストの除去を極めて
困難にしてしまう厳しい処理の後では、フォトレジスト
を完全に除去できないため、湿式除去法だけの使用では
問題を完全に解決できない。上記のような厳しい処理の
例としては、高ドーズイオン注入（ＨＤＩ）、反応性イ
オンエッチング（ＲＩＥ）、深層ＵＶ硬化、及び高温処
理後ベークが挙げられる。ＨＤＩやＲＩＥの後では、イ
オン注入されたパターンやエッチングされた壁の側壁の
除去が最も困難である。
【０００６】更に、湿式法には、他にもいくつかの問題
がある。即ち、除去液の強さが時間と共に変化するこ
と、除去液中に汚染物質が蓄積されるとこれがウェーハ
の性能に悪影響を及ぼす粒子の発生源となる可能性があ
ること、除去用化学薬品は腐食性で毒性のある成分を含
むため、取扱いや廃棄に費用がかかること、また液相の
表面張力とマストランスポート（mass transport）のた
め、フォトレジストの除去は不均一で困難となる傾向が
あることである。
【０００７】乾式法にもまたいくつかの大きな欠点があ
る。特に金属や粒子による汚染、プラズマ（電荷、電
流、電界、及びプラズマによって誘発されたＵＶ照射）
による損傷、熱によって引き起こされる損傷、とりわけ
不完全な除去に起因する欠点がある。上述のように、フ
ォトレジストは種々の製造工程において化学的及び物理
的変化を起こして固くなり、先行技術では除去処理を行
うことが極めて困難である。通常は、フォトレジストを
完全に除去するために、湿式処理と乾式処理を含む複数
の連続工程が必要となる。
【０００８】この問題は種々の方法で取り組まれてきて
おり、様々な技術を用いた乾式フォトレジスト除去装置
が市販されており、入手可能である。例えば、ＵＶアッ
シング装置が日立から販売されており（ＵＡ−３１５０
Ａ）、乾式化学アッシング装置も米国のヒュージョン・
セミコンダクター・システム社から入手可能である。こ
の乾式化学アッシング装置では、亜酸化窒素およびオゾ
ンを用いて化学アッシングでフォトレジストを除去す
る。マイクロ波プラズマアッシングも、例えばＵＮＡ−
２００ Ａｓｈｅｒ（ＵＬＶＡＣ Ｊａｐａｎ Ｌｔ
ｄ．）において行われている。またプラズマフォトレジ
スト除去も採用されており、例えば、Ａｓｐｅｎ（米
国、マッソン・テクノロジー社）、及びＡＵＲＡ ２０
０（米国、ガソニックス社）として販売されており、入
手可能である。
【０００９】より最近になって、米国特許第５，１１
４，８３４号に記載されているように、酸化雰囲気中
で、レーザＵＶ照射を用いたアブレーション（ablatio
n）を行うことによりフォトレジストの除去が可能とな
った。アブレーションプロセスは、フォトレジストによ
るレーザパルスエネルギーの強い吸収によって引き起こ
される。このプロセスは周囲気体へのフォトレジスト層
の局所的な放出であり、フォトレジスト内の化学結合の
破壊及び瞬時加熱による爆風（blast wave）によるもの
である。部分的にガス化され且つ部分的に断片化された
フォトレジストは表面から上方に吹き飛ばされ、瞬時に
周囲の気体を加熱する。各レーザパルスの照射の後にお
けるアブレーション生成物の急速な燃焼気化（combusti
on flash）は、ＵＶレーザ照射と処理ガスとの間の光化
学的反応によるものであるが、爆風によるものである可
能性もある。このプロセスの主要部は、剥離されたフォ
トレジストの燃焼気化を伴うレーザアブレーションであ
る。これは照射域を通過して流れる反応性気体中で生じ
る。レーザ照射と急速燃焼は、フォトレジストの固い部
分（側壁）のアブレーション閾値を瞬時に低下させる。
燃焼したアブレーション生成物は、その後、真空吸引ま
たは気体清掃により除去され、完全に清浄な表面が得ら
れる。
【００１０】米国特許第５，１１４，８３４号は重要な
新処理方を提供しているが、スループット（所定時間の
間にフォトレジストを除去できるウェーハの数）は、工
業的に必要とされるレベルに達していない。レーザによ
る除去のスループットは、除去速度、即ち単位時間内に
単位面積を完全に除去するのに必要なレーザパルスの数
によって定義される。
【００１１】本明細書では、簡略化のために、半導体ウ
ェーハからのフォトレジストの剥離のみを参照するが、
これは半導体ウェーハからのフォトレジストの剥離は、
よく知られ且つ広く取り上げられている問題であるから
である。しかしながら、以下に説明する本発明は、ウェ
ーハからのフォトレジストの除去のみに限定されるもの
でなく、必要に応じて変更を加えて、平板型表示装置
（ＦＰＤ）からのフォトレジストの除去、レンズ、半導
体ウェーハやフォトマスクなどの種々の対象物からの残
留物の除去など、他の多くアプリケーションにおいて実
施可能である。
【００１２】上述の米国特許第５，１１４，８３４号で
は、レーザ除去の処理窓（processwindow）を定義して
おり、またレーザパルスのエネルギーがフルーエンスレ
ベル（energy fluence level）に達すると、処理される
ウェーハに損傷を与える可能性があることを示してい
る。しかしながら、今日まで、処理対象物の表面に損傷
を与える危険生を伴うことなく、上記米国特許で定義さ
れたフルーエンス損傷閾値を増加できるエキシマレーザ
エネルギーの利用法は提供されていない。レーザエネル
ギーによる損傷のタイプには次ぎのものが含まれる。特
にＳｉＯ2／Ｓｉ（イオン注入）及びＴｉＮ／Ａｌ界面
における膨張係数の違いに起因し、また疲労現象、アル
ミニウムまたはシリコンの溶融に関連するリップル（ri
pples ）などの熱損傷、並びにＳｉＯ2／Ｓｉ界面（イ
オン注入）での結晶構造の微小変化による僅かな色の変
化などの照射（イオン化）損傷。
【００１３】本明細書の一部を構成するものとしてその
全体をここに援用するＷＯ９７／１７１６４（ＰＣＴ／
ＩＬ／００１３９）は、損傷を与えないレーザによる表
面処理法を開示している。この方法は、レーザパルスを
時間的に伸長し、このパルスエネルギーをより長い時間
にわたって処理表面に供給することによって達成され
る。このパルスの伸長は、光学的手段、即ち、受動光学
パルス伸長器（以後「ＰＯＰＥ」と称する）により実行
される。
【００１４】次世代のＵ／ＶＬＳＩ回路用ウェーハにお
ける寸法の大型化傾向（過去１０年間で６インチから１
２インチに増加）、及びウェーハの形状（新たなフォト
レジスト、金属、酸化物、高度な清浄（cleaning）に対
する要求）の小型化に関連した多くの困難性により、厳
しい除去プロセス及び清浄プロセスが複雑化し、収量及
びスループットの両面で影響が出ている。
【００１５】高収量／高スループットで半導体ウェーハ
から異物をレーザによって除去するためには、以下の条
件を満たさなければならない。 １）ＵＶレーザ（エキシマ又はソリッドステート）が、
高い平均パワー（Ｐav≧１００Ｗ）を有すること。 ２）ＵＶレーザのパルス周波数ｆが低いこと（ｆ〜５０
Ｈｚ）。 ３）ＵＶレーザのパルスエネルギーＥが十分高いこと
（Ｅ≧１Ｊ）。 ４）ＵＶレーザのパルスが、制御された伸長持続時間
（２００ｎｓ以上）を有すること。
【００１６】高平均パワーの工業用ＵＶレーザは、高い
パルス周波数（ｆ≧２００〜２５０）、低いパルスエネ
ルギー（Ｅ≦０．５Ｊ）、及び一定のパルス長を有す
る。受動光学パルス伸長器（ＰＯＰＥ）はレーザパルス
の持続時間を増加させるものの、所定のケースに合わせ
て光学的ディレイが固定されているので、レーザパルス
の持続時間を変更（調整）できない。従って、市販の高
平均パワーのＵＶレーザとＰＯＰＥとの組合わせは、高
い（最適な）スループットの実現に必要な上記特性のう
ちの第２、第３、及び第４の特性を持っていない。
【００１７】前記ＷＯ９７／１７１６４によれば、最適
なフルーエンス値Ｆoptの範囲で処理するためには、適
切なフルーエンス処理窓を設ける必要がある。これは、
明確なパルス伸長を行うことにより、基板に対する熱負
荷を減らして損傷を防ぐ必要があることを意味する。
【００１８】可変的なパルス伸長により、以下に示す、
異なるタイプのフォトレジストのための適切な最適フル
ーエンス値が見出せる。即ち、 Ｆph1 opt，Ｆph2 opt，．．．，Ｆphi opt，．．． （式中、Ｆphi optは、第ｉ番目のタイプのフォトレジス
トに関するフルーエンスを表す）Ｆphi optの各値は、パ
ルス伸長を要する。パルス伸長をある回数実行する際に
は、パルス伸長用の光学的パルス伸長器によって生成さ
れるサブパルス間の時間的間隔を連続的に変える必要が
ある（ＷＯ９７／１７１６４参照）。従って、パルス伸
長度を変えることにより、損傷を与えない、最適なマル
チレーザ燃焼式（ＭＬＣ）表面処理が行える。しかし、
光学的パルス伸長器は、光学的ディレイが一定であり、
制御されたパルス伸長や最適なＭＬＣ表面処理が得られ
ない。
【００１９】前記ＷＯ９７／１７１６４において述べら
れているように、レーザによる異物除去に要するフルー
エンスは非常に高くなる可能性があるので、被処理表面
への損傷を回避するため、レーザパルスの持続時間を何
度も伸長しなければならない。しかし、高パワーレーザ
と光学的パルス伸長との組合わせは、多くの場合不十分
である。なぜなら、この組合わせでは、十分に低いパル
ス周波数や制御されたパルス伸長が得られず、また、よ
り大きなパルス伸長が要求される時には、光学的伸長器
の構成要素を通るパルスの経路においてパルスエネルギ
ーの多大なロスが発生する。それぞれのケースにおいて
被処理基板の熱による損傷を回避するための適切なフル
ーエンス処理窓を設ける必要があるため、パルス伸長の
制御が必要となる。フォトレジストのタイプが異なれ
ば、最適なフルーエンス値も異なるので、それぞれのタ
イプで異なるパルス伸長が必要となる。従って、パルス
伸長を制御することにより、スループットが最適で、か
つ基板に損傷を与えないＭＬＣ表面処理が得られる。
【００２０】工業用の高パワーレーザ（ＨＰＬ）、特に
高パワーＵＶ−エキシマレーザを安定して作動させるた
めには、パルスエネルギーを比較的低くし、パルス周波
数を高くする必要がある。なぜなら、高いパルスエネル
ギーを得るためポンピングを非常に強く行うと、レーザ
活性媒質の不安定化が避けられないからである。「レー
ザ活性媒質」とは、共振器が設けられている場合に、放
電又はフラッシュランプによる励起後にレーザビームを
生成できる気体又は固体を意味する。一方、低いパルス
エネルギー及び高いパルス周波数は、光学ラインの効率
に好ましくない影響を与えるので、スループットを低下
させる。
【００２１】低いパルスエネルギーは、レーザビームが
衝突する狭い領域においてのみ、作業フルーエンスが高
い最適な値になる。また、低いパルスエネルギーは、ウ
ェーハ上のフルーエンス均一化の効率を低下させる。他
方、高いパルス周波数は、前述のように、乾式化学除去
法には適さず、光学的手段による適切な分周を必要とす
る。前述したように、光学的手段によるパルス周波数の
低減は、著しいエネルギーのロスをももたらす。従っ
て、これらの両ファクターは、光学ラインの効率を急激
に低下させる。
【００２２】上記の、レーザによる除去におけるスルー
プット低下の原因は、工業用高パワーエキシマレーザを
効率的なフォトレジスト除去技術のために使用する上で
の妨げとなる。
【００２３】本発明の目的は、レーザビームの照射によ
って実行される、表面処理、特に基板表面からの異物除
去における改善をもたらすレーザビームを生成するため
の方法及び装置を提供することである。
【００２４】本発明の他の目的は、フォトレジスト除去
作業のために高パワーレーザマルチヘッドシステムを適
用できるようにし、またその効率を高めることである。
【００２５】本発明の更に他の目的は、ＭＬＣ表面処理
を、高いスループットで且つ被処理表面に損傷を与える
ことなく高い清浄度（高い収量）で表面処理を実行でき
るレーザビームを生成するための方法及び装置を提供す
ることである。本発明の更に他の目的は、高いスループ
ットで且つ被処理表面に損傷を与えることなく、高い清
浄度でＭＬＣ表面処理をするための装置を提供すること
である。
【００２６】
【課題を解決するための手段】表面処理用のレーザビー
ムを生成するための本発明の方法は、電子的に制御され
たディレイを持つ電子的に同期されたパルスを有する複
数のレーザビームを生成して発射するステップと、これ
らビームを単一のビームに統合するステップと、各レー
ザパルスを一定の光学的ディレイを有する複数のサブパ
ルスに光学的に分割するステップとを含む。
【００２７】前記の電子的同期はポンピング手段のトリ
ガーを電子的に制御されたディレイと同期させることに
よって達成される。このトリガーの制御は、当業者によ
く知られており、彼らによって容易に実施され得る。
【００２８】レーザビームの分割は、レーザビームの統
合前又は統合後のいずれでもよい。その方法は、ビーム
生成時に、ビームの近距離又は遠距離場（near or far
fields) を変更すること、例えば、拡張及び／又は均質
化することを含んでもよい。
【００２９】本発明は更に、上記方法を実施する装置を
提供する。この装置は、パルス同期化手段を有するレー
ザビーム生成発射用の複数のレーザヘッドと、各レーザ
パルスを複数のサブパルスに分割し、異なるレーザパル
スに対応する連続する複数のサブパルス群の間のディレ
イを制御するための受動光学パルス伸長器（PassiveOpt
ical Pulse Extender：ＰＯＰＥ）とを含む。
【００３０】意味を明確にするため、「パルス」という
用語が単独で用いられた場合は、レーザヘッドから発射
された当初のパルスを意味することとする。分割後のパ
ルスは「サブパルス」と呼び、「レーザエミッタから発
射されたパルスを分割して得られたパルス」を意味する
こととする。
【００３１】パルスを同期化する手段を有するレーザビ
ーム生成発射用の前記複数のレーザヘッドは、ポンピン
グが電子的に同期化された一定数（以下「ｎ個」とす
る）のヘッドで１台のマルチヘッドレーザを構成しても
よいし、電子的に同期化された複数（ｎ個）の単一ヘッ
ドレーザであってもよい。前記レーザヘッドは、いかな
る場合でも本質的なロスなしに電子的パルスの伸長を生
成するので、これらを総称して能動電子パルス伸長器
（Active Electronic Pulse Extender）（以下、略して
「ＡＥＰＥ」とする）と呼ぶ。
【００３２】ＰＯＰＥと組み合わせて能動電子パルス伸
長器（ＡＥＰＥ）を導入することにより、フォトレジス
ト除去において高スループットを得るための全ての条件
を同時に実現できる。この組み合わせによりパルス伸長
に関する可能性が更に高まるが、これに加え、高平均パ
ワーＵＶマルチレーザシステムに以下の３つの特色がも
たらされる。即ち、パルス周波数が低く、パルスエネル
ギーが高く、パルス持続時間が制御できることである。
【００３３】レーザを用いて半導体ウェーハから異物を
除去する際に高いスループットを得るためには、レーザ
に関する以下の条件を満たさなければならない。 １）レーザ源が、高平均パワーを有すること。 ２）作業フルーエンスが、適切な最適パルス伸長におい
て最適な値、即ち、他の全てのパラメータを一定にした
時の最高スループットを有すること。 ３）レーザ照射による衝撃と処理チャンバ内のガス流と
の間のバランスをとるために、パルス周波数（パルスの
反復速度）をかなり低くすること。言いかえるなら、各
パルスの後に、処理ガスの新鮮な部分がビームフットプ
リント上を流れるようにする必要がある（「フットプリ
ント」とは、ビームが処理対象表面に衝突する領域を意
味する）。このため、パルス周波数は比較的低い値、例
えば５０〜１００Ｈｚのオーダーに制限される。
【００３４】本発明の方法及び装置は、上記の特性を有
するレーザビームを生成する。このレーザビームのエネ
ルギーは、高い効率を有する光学ラインを介して、ウェ
ーハに当てられる。これにより、高いスループットで、
ウェーハに損傷を与えることなく、ウェーハから異物を
することが可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】上記のように、パルス周波数が高
く、パルスの持続時間とパルス形状に関しての柔軟性が
低いこと、そして工業用ＨＰＬ（特に高パワーＵＶエキ
シマレーザ）のパルスエネルギーはそれ程高くないこと
から、フォトレジスト除去技術におけるスループットを
向上できない。
【００３６】本発明によれば、同じパルス周波数を有す
る複数のレーザエミッタを結合してマルチレーザシステ
ム（ＡＥＰＥ）とし、これを、ＰＯＰＥと組み合わせて
一つの装置を構成する。この装置は、個々のエミッタの
平均パワー及びパルスエネルギーを合計した高平均パワ
ー及びパルスエネルギーを有し、また、これらレーザエ
ミッタのパルス周波数ｆ、以下に定義する制御されたパ
ルス持続時間、及びパルス形状を有する。
【００３７】マルチレーザシステムのヘッド数を選択す
ることにより、所望の平均パワーが得られる。
【００３８】図１ａは、本発明の一態様に従ったこのよ
うな装置の概略を示す。全体が１０で示されるマルチレ
ーザエミッタは、ｎ個のヘッド（それぞれ１１で示され
る）を有する。この数字ｎは、ここではまだ決まってい
ない。このシステムが生成する一連のパルス間の時間間
隔は、τeｄで示される制御された電子的ディレイであ
る。様々なビームは統合されて、１２で概略的に示され
るＰＯＰＥに向けられる。そして、このＰＯＰＥから
は、当初の各パルスにつき「ｍ」個のサブパルスが発信
される。「ｍ」個のサブパルスからなるグループと、こ
れに続くグループとの間には、制御された電子的ディレ
イがある。ｍ個のサブパルスからなる各グループ内での
連続するサブパルス間の時間的間隔は、τoｄで示され
る一定の光学的ディレイとなる。よって、前記の電子的
ディレイとの関係は、τeｄ＞ｍτoｄとなる。しかし、
このことは例示される態様においては真実ではあるが、
τeｄは制御された電子的ディレイであり、ｍτoｄ以下
にもなり得る。パラメータ「ｍ」は、最良の結果を得る
ように熟練者が決定することになろう。
【００３９】図１ｂは、図１ａとは異なる態様を示す。
この態様では、ｎ個のレーザヘッドは独立し、それぞれ
がシングルヘッドレーザ２０となっている。そして、ビ
ームは、（図１ａのように単一の共振器から全てのヘッ
ドに発射される代わりに）個別の共振器から個々に発射
され、ＰＯＰＥに連通する共通のチャネル内に向けられ
る。このＰＯＰＥは、前記の態様と同じように作動す
る。
【００４０】図２では、図１ｂと異なり、レーザ毎に光
学的パルス伸長器が設けられている。即ち、このレーザ
では、レーザビームの統合がＰＯＰＥ通過後に起こる。
【００４１】図３は、本発明の全体的な概念を示す略図
である。複数（ｎ個）のレーザヘッド（どのような構造
で実現化するかは問わない）の全体を３０で示す（図面
においては、ｎを３として例示する）。統合されたビー
ムはＰＯＰＥ３１に向けられ、このＰＯＰＥ３１は、各
パルス３２をサブパルス３３に分割する（図面において
は、ｍを３として例示する）。その結果、各レーザヘッ
ドから１個づつ発射されるパルス、即ち、ｎ個発射され
るパルスは、ｎ×ｍ個のサブパルスとなる。
【００４２】図４は、比較の目的で示す。単一のＨＰＬ
４０を配設する場合を仮定すると、ＰＯＰＥ４１が使用
されたとしても、レーザヘッドの各パルス４２からはｍ
個のサブパルスしか得られない。図４（従来技術）の方
式は、本発明の全体的概念（図３）と比較することがで
きる。複数のレーザヘッドを使用することにより、レー
ザによる除去のためのパルス持続時間が非常に短いレー
ザの使用が可能となる。また、広範囲にわたってフルー
エンス処理窓を変化させ、個々のケースにおける最適な
フルーエンス値で除去作業が実行できるようになる。エ
キシマレーザのためのパルスの持続時間は２０〜４０ｎ
ｓであるが、ソリッドステートの高調波パルスは非常に
短く３〜５ｎｓである。各サブパルスの持続時間は、各
レーザパルスの持続時間と等しい。１個のパルスを一定
数のパルスに分割し、それらの間に何らかの光学的距離
を置くことにより、より大きなフルーエンスの処理窓が
得られる。
【００４３】ＨＰＬの高平均パワーは、Ｐ＝Ｅｆ1、即
ち、（非常に高くはないが）比較的高いパルスエネルギ
ーＥと高パルス周波数ｆ1との積で表される。また、こ
れと同一の平均的なパワーが、パルスエネルギーＥが同
じでパルス周波数がｆ1／ｎのｎ個の同期化ヘッドを用
いることによって得られる（図５参照）。ＨＰＬから、
本発明による能動電子パルス伸長（ＡＥＰＥ）のマルチ
ヘッドレーザシステムへの移行により、以下の結果がも
たらされる。 １．パルスの生成数が、ｎ＊ｍ倍となる。 ２．パルスエネルギーが、ｎ倍になる。即ち、Ｅ’＝ｎ
Ｅ。 ３．周波数ｆ1が、ｎ分の１となる。 ４．平均パワーは維持される。即ち、Ｐ’＝ｎＥ＊ｆ1
／ｎ＝Ｅ×ｆ1。
【００４４】受動光学伸長器（ＰＯＰＥ）とは対照的
に、ＡＥＰＥシステムにおいては、全てのパルスは個別
のレーザヘッドによって生成され、「能動型」である。
従って、マルチヘッドレーザシステムは、レーザパルス
を生成すると同時に、これらパルスを制御してサブパル
スのグループに変形し、またレーザパルスの周期１／ｆ
が約１０-3秒から１０-1秒であるのに対して、例えばτ
≦０．５＊１０-6秒といった時間間隔を形成しながら、
これらレーザパルスを伸長する。
【００４５】工業用ＵＶエキシマレーザ（λ＝１９３，
２４８ｎｍ）は、それ程短くはない２５〜４０ｎｓのパ
ルス長を有しているので、伸長したパルスの長さが１５
０〜２００ｎｓを越えない場合、複数のレーザヘッド、
即ち、ＡＥＰＥを用いれば、ＰＯＰＥなしに必要なパル
ス伸長が得られる。ＰＯＰＥは光学ラインにおいて更な
るロスを誘発するので、このことは利点となる。しか
し、波長λが２００〜２５０ｎｍのソリッドステートの
レーザ照射の高調波は、パルス持続時間τ（５ｎｓ）が
短か過ぎる。従って、レーザヘッドの数をそれ程増やせ
ないため、それらのパルスは電子的伸長及び光学的伸長
の両方を要する。
【００４６】本発明のマルチビームシステムにおいて
は、異物、特に異なるタイプのフォトレジストを半導体
ウェーハから除去するために、同時に２種以上のレーザ
波長を使用することもできるのは明らかである。このよ
うなシステムは、除去プロセスに対する影響が主にその
高い光化学的性能によるものであるので、柔軟性を更に
高くできる可能性がある。本発明を実施するためのレー
ザの好ましい組合わせは、１９３ｎｍ及び２４８ｎｍの
波長のビームをそれぞれ発射する２個のレーザを組合わ
せである。ただし、これは好ましい１例に過ぎず、他の
波長を採用してもよい。
【００４７】現代のレーザ産業は、主平均パワーＰavが
４０〜５０Ｗで、安定化パルスエネルギーＥが６００ｍ
Ｊ、レーザパルス周波数ｆ1が５０〜１００ＨｚのＵＶ
エキシマレーザを生産できる。このようなレーザは、パ
ルス周波数が低く、パルスエネルギーが高く、また制御
されたパルス持続時間とパルス形状を有する、Ｐav＞１
００〜２００Ｗの平均パワーが高い工業用マルチヘッド
レーザシステム（レーザヘッド数ｎ≧２）の主要構成要
素となり得る。
【００４８】本発明のＡＥＰＥは多くの利点を有してお
り、特に以下の利点がある。 ａ）低パルス周波数、及び高パワーレーザと同一又はこ
れよりやや高いパルスエネルギーを有する工業用レーザ
を選択するだけで、パルス周波数を低下できる。 ｂ）レーザを統合することにより、レーザの全体的な増
倍パルスエネルギーを増加させることができる。 ｃ）ＰＯＰＥと組み合わせることにより、パルス数を増
倍的にｍ×ｎに増やすことができ、これにより、「ｍ」
の値が小さい時でも損傷を防げるので、ＰＯＰＥにおけ
るエネルギーロスが小さくなる。 ｄ）電子的ディレイを変化させることにより、増倍パル
スの持続時間を制御できる。
【００４９】本発明においてパルス、パルスエネルギ
ー、パルス伸長、又はパルスフルーエンスに適用される
「増倍（multiplicated）」という語は、ＡＥＰＥから
出るビームのパルス、パルスエネルギー、パルス伸長、
又はパルスフルーエンスを意味する。
【００５０】このようにして、以下の特徴を有する高パ
ワーレーザシステムが得られる。１）パルスエネルギー
の供給と被処理基板上のビームフットプリントへの処理
ガスの供給との間のバランスをとるのに必要な低い増倍
パルス周波数を実現できる。２）より広いレーザビーム
フットプリント領域に対する加工を可能にする高い増倍
パルスエネルギーが得られる。これにより、被処理表面
に対する光学機械的スキャンの効率が向上する。３）Ｐ
ＯＰＥ内のエネルギーの本質的なロスを伴うことなく増
倍パルスを大きく伸長できる。４）増倍パルスの持続時
間を制御して、特に半導体ウェーハのＭＬＣ処理のため
に、パルスの持続時間と増倍パルスフルーエンスの両方
に対して最適な値を見出すことが可能となる。従って、
本発明に関連して進歩がもたらされることは明白であ
る。
【００５１】表面処理、特に半導体ウェーハ等の表面か
らの異物の除去において実行されるレーザビームの生成
以外の動作（例えば、実現化（realization）、均質
化、ビームフットプリントの形状、ビームフットプリン
トの進路変更、処理窓を通しての物品への照射、及び処
理チャンバへのガス流）は、当業者により、特にＰＣＴ
特許出願、ＷＯ９７／１７１６３、ＷＯ９７／１７１６
４、ＷＯ９７／１７１６６、ＷＯ９７／１７１６７、Ｗ
Ｏ９８／１０８８６、及びＷＯ９８／２２２５４の教示
に従って、実施可能である。
【００５２】図６に、レーザによる表面処理の一態様の
ＴＡブロック図を示す。この図では、レーザによる表面
処理プロセスにおけるスループットを決定する個別のブ
ロックの主なパラメータが示されている。図６とこれに
対応する図７の装置の略図を参照すると、レーザ照射が
カバーする被処理表面の領域におけるスループットを、
関数Ｐav、η、Ｆ、及びＮで表す関係が推論できる。こ
の関係においては、Ｐavは、ＡＥＰＥの平均パワーであ
り、ηは、処理窓及び処理チャンバ内の吸収ガス流を含
む光学ラインの効率であるηopに、被処理表面のビーム
フットプリントのスキャンの効率ηSCで掛けたもの、即
ち、η＝ηop×ηSC（図６及び図７参照）であり、Ｆ
は、被処理表面のレーザパルスのフルーエンスであり、
Ｎは、清浄に要するパルスの最小回数であり、したがっ
て清浄プロセスの清浄フルーエンスはФ＝ＦＮとなり、
Ｆ0は、レーザビームの垂直交差（normal intersectio
n）における、パルスのフルーエンスである。
【００５３】実際には、ηＰavは、ウェーハに入射する
１秒当たりのレーザエネルギーであり、積ＦＮは、１ｃ
ｍ2の表面を完全に清浄するのに必要なエネルギー、例
えば、１ｃｍ2の表面からフォトレジストを完全に除去
するのに要するエネルギーである。従って、これらの値
の比、即ち、
【００５４】
【数１】
【００５５】は、表面処理の速度、例えば、１秒間にウ
ェーハ表面から除去されるフォトレジストの面積［ｃｍ
2］を意味する。ウェーハの面積がＳw［ｃｍ2］と等し
い場合、スループットである表面処理の速度［ｗ／時
間］は、以下の式で表される。
【００５６】
【数２】
【００５７】この式から、スループットの減少は、形態
係数（Ｓw）によって予測できることが解る。このこと
は、「課題を解決するための手段」の項で既に述べた。
【００５８】
【数３】
【００５９】上記の関数は、１）レーザパルスのパラメ
ータＦ、τ、２）レーザビームの動的方位のパラメータ
α、ψ（ｔ）、３）燃焼プロセスにおける閉じ込めのパ
ラメータＳfp、ｈ、Ｖ、ｖ、ｆ、及び４）燃焼プロセス
における光−熱−化学のパラメータλ、ｐ1、ｐ2、
ｐ3、．．．ｐn、Ｐ＝Σｐi，Ｔに対するスループット
Пの依存性を決定する清浄フルーエンスの関数である。
上記式中、τは、レーザパルス持続時間［ｎ秒］であ
り、ｆは、レーザパルス入射周波数であり、αは、ビー
ム入射角であり、ψは、パルス毎に、又はスキャンの段
階毎に変更できるビーム入射方位角であり、ｔは、時間
であり、Ｓfpは、フットプリント面積［ｃｍ2］であ
り、ｈは、ウェーハと処理チャンバの光学窓との間の距
離［ｃｍ］であり、Ｖは、処理ガスの流速［ｃｍ／秒］
であり、ｖは、フットプリントのスキャン速度であり、
λは、レーザ放射の波長［ｎｍ］であり、ｐiは、処理
ガスの第ｉ番目の成分の分圧［ｂａｒ］であり、Ｐは、
処理ガスの圧力であり、Ｔは、被処理物（ウェーハ）の
温度である。
【００６０】よって、等式（１）及び（２）によれば、
スループットの向上に関しては以下の７つの因子が存在
する。 １）レーザパルス ２）レーザビームの方位 ３）燃焼プロセスにおける閉じ込め ４）燃焼プロセスにおける光−熱−化学 ５）光学ラインの効率 ６）スキャンの効率 ７）ＭＬシステムの平均パワー
【００６１】スループットの向上は、ある側面では、物
品の表面処理、特に表面から異物を除去する全てのプロ
セスの効率に関連する（項目（１）〜（４））。もう１
つの側面では、パルス化したレーザ照射の平均パワー及
びこのパワーを物品表面の被処理領域に供給する経路の
効率に関連する（項目（５）〜（７））。上記因子のう
ち最初の４つに関するパラメータを適切に選択すること
（スループットの構成）は、清浄フルーエンスの関数Ф
の極小化、即ち、被処理表面１ｃｍ2の清浄に要するエ
ネルギーＦＮを極小化することにつながる（式（１）参
照）。実際には、この適切な選択は、関数Фの全パラメ
ータを上記の４領域１）〜４）に対応する部分に分割し
て、これに続いてこれらのパラメータのグループ内で最
適化を行うことで達成される。第２と第４のプロセスグ
ループによる強い相乗的影響（化学利用レーザエッチン
グの異方性と、レーザ誘起等方性化学エッチング）があ
るため、一連のスループット最適化の手続きにおいてこ
れらのプロセスグループを統合することが得策である。
その後、いくつかの実験データが示すように、式（１）
における清浄フルーエンスは、ほぼ因数分解できよう。
【００６２】
【数４】
【００６３】従って、まずパラメータの第３グループ、
即ち、Ｓfp，ｈ，Ｖ，ｖ，ｆによって決定される燃焼の
閉じ込めと連携する全てのプロセスを最適化すべきであ
る。特に、燃焼の閉じ込めと流動による非揮発性材料の
効果的な排出の条件との間の干渉をまず考慮して、パル
ス入射周波数ｆと処理ガスの流速Ｖとの間のバランスを
決定する必要がある。
【００６４】同様に、即ちビームフットプリント√Ｓfp
の直線寸法とスキャン速度ｖとの間のバランスもとるべ
きである。このバランスをとると、ビームフットプリン
トから処理チャンバの排出口への流れによる材料の移動
を原因とする、ビームフットプリントから出る堆積物の
形成を防げる。この条件により、フォトレジスト除去の
スループットが大幅に向上する。
【００６５】更なる手続きは、レーザエッチングの異方
性（α，ψ（ｔ））、等方性化学エッチング及び相乗的
に関連する燃焼（λ，ｐ1，ｐ2，ｐ3，．．．ｐn，Ｐ，
Ｔ）の統合的最適化関数Ф2を調べることである。この
相乗的プロセスの選択性を維持する必要がある場合に心
に留めるべきことは、等方性である化学エッチングが強
くなると選択性が悪化し、これとは逆に、レーザエッチ
ングの異方性、即ち、レーザビームの適切な方向付けは
エッチングの選択性を向上させ、これがスループット向
上の主な推進力となり得ることである。これは、基板
（誘電体、金属、シリコン）をエッチングしてはならな
い時のフォトレジスト除去においては、化学エッチング
を制限しなければならないことを意味する。
【００６６】所定のフォトレジストの層のためのＭＬＣ
ストリッパの最適パラメータ値を決定する最後のステッ
プは、前段階までの最適化手続きで決定された他の最適
パラメータ値をとりながら、変数Ｆ及びτを有する関数
Ф1（Ｆ，τ）で表される清浄フルーエンスを、実験に
よって最適化することである。よりよい最適化のため
に、この手続きを部分的に繰り返してもよい。
【００６７】新しいタイプの物品（例えば、フォトレジ
ストの新しい層）についても、ＭＬＣストリッパのパラ
メータを同様に最適化して、所定のレベルの収量を確保
しながらそのフォトレジスト層のスループットを最大に
する必要がある。
【００６８】ＡＥＰＥなしには、例えば、レーザパルス
長τの制御、及び方位角度αやψを必要な範囲に調整す
ることなしには、レーザストリッパは最適な状態で作動
できない。ハイパワーエキシマレーザ１台を有するレー
ザストリッパのための光学ラインの使用可能性は、レー
ザパルス周波数を分割する必要があるため、非常に限ら
れている。先に述べたように、ＡＥＰＥの適用により、
光学ラインの効率が向上する。この因子は、スループッ
トの向上を２倍以上にするであろう（式（１）参照）。
【００６９】ウェーハのタイプに基づいて、ＭＬＣ清
浄、除去、又はエッチング（例えば、ウェーハの平坦
化）技術について語ることはできる。これらＭＬＣＦ表
面処理は、（半導体、ウェーハに加えて）他の物品、例
えば、表示用フラットパネル等にも適用できる。
【００７０】レーザのエネルギーをウェーハに送る光学
ライン、及びウェーハの処理のための本装置のその他の
構成要素をより詳細に説明する必要はない。なぜなら、
これら装置は当業者の知識及び能力の範囲にあり、引例
のＰＣＴ出願にも説明されているからである。
【００７１】図７においては、被処理面へのビーム入射
角をαで表す。このビーム入射角は、０度から６０度の
範囲にあることが好ましい。ビーム方位角はψで表す。
この方位角は、パルス毎、又はスキャンの段階毎に変更
することが好ましい。
【００７２】本発明の方法及び装置は通常、ＭＬＣによ
る半導体ウェーハ（ＶＬＳＩ／ＵＬＳＩ回路）からのフ
ォトレジスト除去、ＭＬＣによる微粒子、原子、その他
の汚染物の清浄、ＭＬＣ表面エッチング、ＭＬＣ乾式エ
ッチングによる平坦化等の、ＭＬＣによる（特に半導体
デバイスの）表面の異物除去において有用である。被処
理物は、半導体以外の物、例えば平板型表示装置、コン
パクトディスク、磁気ヘッド、裸のシリコンウェーハで
あってもよい。
【００７３】例示のために本発明の具体的な態様を説明
したが、本発明が、変更や改良を加えることにより、本
発明の精神から逸脱することなく、また請求の範囲を越
えることなく本発明が実施可能であることは、当業者に
とっては明らかであろう。
【００７４】
【発明の効果】本発明のレーザビーム生成方法及び装置
によれば、表面処理、特に基板表面からの異物除去を改
善できる。又、フォトレジスト除去作業用のために高パ
ワーレーザマルチヘッドシステムが使用できるようにな
り、同時にその効率を高めることができる。更に、ＭＬ
Ｃ表面処理を、高いスループットで且つ被処理表面に損
傷を与えることなく高い清浄度（高い収量）で行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、複数の単一ヘッドレーザを使用する
態様における、本発明の装置の略図であり、（ｂ）は、
１個のマルチヘッドレーザを使用する態様における、本
発明の装置の略図である。
【図２】図１（ｂ）の装置の改良品の略図である。
【図３】本発明の装置の全体の略図である。
【図４】比較のための、本発明に従わない装置の略図で
ある。
【図５】ＨＰＬからＡＥＰＥへの移行を示す略図であ
る。
【図６】本発明の一態様の装置のブロック図であって、
図中、η1、η2、η3、η4、η 5は対応するリレーライ
ンの効率であり、ηPEはＰＯＰＥの効率であり、ηHは
レーザ照射均一化の効率であり、ηSHはレーザビームフ
ットプリント形成の効率であり、ηdivはレーザビーム
によるフットプリント進路変更の効率であり、ηWは処
理チャンバの窓の効率であり、ηGは処理ガスの効率で
あり、ηSCはレーザビームフットプリントのスキャンの
効率である。
【図７】以下の関係が成立する装置の略図である。 ηOP＝ηPE’ηH’ηSH’ηDIS’ηW’ηG’ηR （式中、光学ラインは、レーザから物品までの全長であ
り、ηR＝η1’η2’η3’η4’η5及びη＝ηOP’ηSC
である）
【符号の説明】
１０ マルチレーザエミッタ １１、２０ ヘッド １２、３１ 受動光学伸長器（ＰＯＰＥ） ３０ 複数のレーザヘッド ３２ パルス ３３ サブパルス

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザビームの照射によるマルチレーザ
    燃焼式（ＭＬＣ）表面処理の方法であって、同期化した
    パルスと制御されたディレイとを有する複数のレーザビ
    ームを生成することと、これらのビームを単一のビーム
    に統合することと、この単一のビームの各レーザパルス
    を複数のサブパルスに光学的に分割することとを含むマ
    ルチレーザ燃焼式（ＭＬＣ）表面処理方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法であって、前記統
    合したビームを処理対象表面に当てることを更に含む方
    法。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の方法であって、レーザ
    ポンピング手段のトリガーを電子的に制御したディレイ
    と同期させることにより、ビームのパルスを同期化する
    ことを含む方法。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の方法であって、レーザ
    ビームを統合する前にレーザビームを光学的に分割する
    方法。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の方法であって、レーザ
    ビームを統合した後でレーザビームを光学的に分割する
    方法。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の方法であって、レーザ
    ビームを光学的に分割する工程が、前記サブパルスの間
    に一定の光学ディレイを設けることを含む方法。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の方法であって、前記パ
    ルスが分割されてできた前記サブパルスが、前記パルス
    と同じ持続時間を有し、かつ各パルスの前記サブパルス
    への分割数に対応する振幅を有する方法。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載の方法であって、レーザ
    ビームが「ｎ」本生成され、それらのレーザビームの各
    パルスが「ｍ」個のサブパルスに分割される場合に、被
    処理表面が、ｎ×ｍ個のサブパルスからなる統合された
    レーザビームであって、前記パルスと同じ周波数及び生
    成されたレーザビームの個々のエネルギーの合計と等し
    いエネルギーを有する統合された１本のレーザビームに
    よって照射される方法。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載の方法であって、前記生
    成されたビームを均一化することを更に含む方法。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の方法であって、フッ
    トプリント形成、スキャン、被処理表面に対する方向付
    けのためにビームを変更することを更に含む方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の方法であって、前
    記スキャンを一面に行う方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の方法であって、ビ
    ームの向きが、被処理表面に対するビームの入射角αが
    ０度から６０度の範囲になるように設定される方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１０に記載の方法であって、ビ
    ームの向きが、ビームの方位角ψがパルス毎又はスキャ
    ンの段階毎に変化するように設定される方法。
  14. 【請求項１４】 最適化された高いスループット及び収
    量が得られるマルチレーザ燃焼式（ＭＬＣ）表面処理の
    ためのレーザビームを生成するための装置であって、 複数のパルス化されたレーザビームを生成する複数のレ
    ーザヘッドと、 これらレーザヘッドを制御して同期化するための手段
    と、 各レーザパルスを、各々の間に一定の光学的ディレイを
    有する複数のサブパルスに分割する手段と、 異なるレーザパルスに対応する前記複数のサブパルスの
    グループの間に制御された電子的ディレイを生成するた
    めの手段とを含む装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の装置であって、レ
    ーザビームを均一化するための手段を更に含む装置。
  16. 【請求項１６】 ＭＬＣ表面処理のための装置であっ
    て、請求項１４に記載の装置を含み、 レーザビームの進路を変更するための手段と、 ビームフットプリントを連続的にスキャンするための手
    段と、 前記レーザビームのための光学窓を有する、被処理物の
    ための処理チャンバであって、この光学窓と被処理物と
    の間を移動する雰囲気処理ガス流が供給される処理室と
    を更に含む装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１４に記載の装置であって、そ
    れぞれ共振器を有する複数のレーザヘッドが複数のレー
    ザを構成する装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１４に記載の装置であって、複
    数のレーザヘッドが１個の共振器を有する単一のマルチ
    ヘッドレーザを構成する装置。
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