JPS5940526A - レ−ザ処理方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ処理方法とその装置に係り、特に半導体
ウェハまたは半導体集積回路等に対するレーザ処理に好
適な方法とその装置に関する。

第１図は従来のレーザ処理装置の構成を示す図である。

レーザ発振器１がら発振されたノーザ光２は、ビーム移
動・走査等を行う中間光学系６を介して集光光学系４に
導かれ、載物台５上に載置された被処理物６上に集光・
照射される。ところが、被処理物６が半導体ウェハある
いは半導体集積回路等の様に多層の薄膜が形成され、％
に、レーザ処理を必要とする部分７が使用するレーザ光
に対して透明かつ、屈折率が空気およびレーザ処理を必
要とするｒ１＋＋分と異なる物質からなる膜８が１層な
いしａ数層、形成　・されている場合は、これらの膜８
の厚さによる干渉効果により、照射し７こレーザ光２の
被処理物６での反射率が膜８の厚さとともに周期的に変
動する。その−例を第２図に示す。これはＳｉ基板上に
５ｉｎ２膜を形成した場合の５ｉｎ２膜厚と反射率の変
化を示したものである。、レーザ光は波長が５６２．４
層ｍで、Ｓｉ基板に対して垂直に入射させている。この
場合、膜厚１８４ｒＬｍを周期に反射率が１１％〜３９
％の範囲で変化している。即ち、一定出力のレーザ光で
照射した場合、５Ｌ基板で吸収されるレーザ・エネルギ
が照射エネルギに対して６１％〜８９％の範囲で変化し
ていることを示している。第２図はＳｉｎ、膜単層の場
合であるが屈折率が異なる複数層が形成されている場合
には、反射率の変動はさらに大きい場合があり、例えば
窒化シリコン膜と５ｉｎ２膜が形成された場合には、反
射率が１％以下から６３％まで変動する。

この場合、窒化シリコン膜と５ｉｎ２膜の両方が変動し
得るため、各々が１０ｒＬｍ変化しても反射率が１０〜
２０％変化する場合もある。

この様な状態でレーザ処理を行っても、例えレーザ出力
が全く変化しなくても、ある場合には反射率が高すぎ（
吸収率が低すぎ）、十分なレーザ処理が行なえなかった
り、ある場合には反射率が低すぎ（吸収率が高すぎ）、
ダメージを生じてしまったりする。そのため、レーザ処
理の歩留りが低く、品質も悪いという問題があった。こ
れを防ぐために、膜厚を常に一定にする努力がなされて
いるが、極めて困難であるのが現状である。

本発明の目的は上記した従来技術の欠点をなくし、被処
理物の反射率の変化によって加工の歩留りが左右されな
い、高品質・高歩留りなレーザ処理を可能にするレーザ
処理方法とその装置を提供することにある。

レーザ処理に用いるレーザ光を、１」的とする処理が行
なわれないレベルまで出力を下げ”〔、レーザ処理部あ
るいはレーザ処理部と同一構造の部分に照射して、その
時のレーザ処理部への照射光量とレーザ処理部からの反
射光」ｔｌ、から反射率を求め、その反射率から常に最
適なレーザ処理が行える様に、レーザ照射条件を設定し
てからレーザ処理を行う。

以下、図に従って本発明の実施例について説明する。ま
ず、本発明をレーザによる配線接続に適用した場合につ
いて述べる。第３図は一般的なレーザによる配線接続部
の構造を示する図であり、Ｓ器基板９に被着しため０２
膜１０１Ｃより基板９とＰ３縁された２つのル＋形Ｐｏ
１ｙ−５ｉ　（多結晶シリコン）層１１，１２が極めて
高抵抗の（例えば１０９Ω／口以上の）　Ｐｏ１ｙ−５
ｉ層（不純物がドープされていな（ても良い）からなる
１層１３を介在して対向している配線構造を持ち、それ
らの上に絶縁膜１４．絶縁膜１５．絶縁膜１６が形成さ
れている。ここでＩＬ＋形層１７．１２およびｉ）鯖１
ｓは厚さがＩ　ＤＯ〜５００　ｎｍであり、ル＋形層１
１，１２はリンまたはヒ素が不純物濃度１０”／、ｃｒ
ｔ以上にドープされている。また絶縁膜１４は厚さが２
０〜２００ｎ、ｍの５’　Ｌ　Ｃ）２膜、絶縁膜１５は
１〜１ｏｍｏ１％のリンを含む１００〜１０００　ｎｒ
ｎの厚さのリンガラス膜（１）ＳＧＩＮ）絶縁膜１６は
厚さが５００−４０００　ｎｍのＳｉＯまタハＳｔ　Ｑ
ｔまたはＳ　ｉ　３Ｎ、の単独あるいは、それらの複数
の膜から成っている膜である。第３図に示した配線接続
部に、絶縁膜１４，１５．１（Ｓに対して十分に透明な
波長のレーザ光２を、ル＋形Ｐｏ１ｙ−５ｉ層１１゜１
２および１層１３に照射すると、適正なレーザ照射条件
のもとではＬＮ１３に７を形層１１．１２またはｐＳＧ
膜１５のどちらか、あるいは両方からリンが拡散し、を
層１３は低抵抗化する。ここで、適正なレーザ照射条件
とは例えばＱスイッチＹＡＧｖ−ザの第２高調波（波長
５５２．４膜ｍ　）を用いて１〜２パルスでｐｏｌｙ−
５ｉ配線を断線に致らしめるパワー密度の１／２のパワ
ー密度で数パルスル数１０ハルス照射する条件である。

またここで低抵抗化により接続された状態とは、高抵抗
ｐｏｌｙ−５ｉ層（を層）１６の抵抗値が１０６Ω以下
に低下した状態を言う。これはレーザ照射前の１層１３
の抵抗値１０９Ω以上に比較すると１０４以上の変化で
あり、完全に短絡状態、即ち接続状態と見なして差支え
ない。

しかし、前に述べた様に絶縁膜１４，１５．１６の膜厚
は、ロットにより、ウェハに、にり、あるいは同一ウエ
バ内でも場所により異なるため、ある場所では最適レー
ザ照射条件であっても、他の場所ではし〜ザ発振出力が
一定でも反射率が大きく変化し−Ｐｏｌｙ−５ｉ配線部
１１，１２，１ろで吸収されるレーザ・エネルギが変化
してしまい、必要なレーザ照射条件から外れてしまう。

ここで第４図に、第３図に示した配ＩｖＩｌ接続部に対
する配線接続のためのレーザ照射条件を示す。縦軸はＰ
ｏ１ｙ−５ｉで吸収された相対パワー密度で、１ないし
２パルスでＰｏ１ｙ−５ｉ配線が切断されたパワー密度
を１として相対目盛で表示しである。横軸は照射レーザ
パルス数である。破線１７の上側の領域では、ｐｏｌ　
ｙ　−Ｓｉ配線に吸収さレルエネルギーが大きすぎ、配
線部がダメージを受け、断線に絞る場合もある。また、
一点鎖線１８の下側の領域はｐｏｌｙ−５ｉ配線で吸収
されるエネルギが小さすぎ、接続が行えない。即ち曲線
１７と１８にはさまれた領域が、接続を行うことができ
るレーザ条件範囲を示しており、笑線１９で示した条件
が、最適条件である。これらの条件の中で、相対パワー
密度ｏ、５ｓ、［Ｊｔｔバ／ｌ／ス数５０パルスの条件
を選択したとする。第５図に示した構造では絶縁膜１４
　、ｉｓ　、１６の膜厚により、反射率は０〜６２％、
即ち吸収率は３８〜１００％で変化する。その中心値で
ある、吸収率６９％を基準に相対パワー密度０．８０で
、配線接続部に照射したならば、ｐｏｌｙ−５ｉで吸収
される相対パワー密度の範囲２０はおよそ０．３〜０．
８となり、照射パルス数５０パルスの場合の接続可能な
相対パワー密度０．４６〜０．６４を逸脱する場合が生
じてしまう。実際には、レーザ発振出力も１５〜１１０
％ばらつくため、良好な接続ができない確率はさらに増
加する。

そこで、まずレーザの出力を十分に低くして接続が全く
起こらない出力レベルで配線部、または周辺に設り゛た
配線部と同一構造の部分に照射し、その照射光量と、配
線部または同一構造の部分からの反射光量を検出して反
射率ｒおより−密度０．５５が吸収され、最適な接続を
、膜厚の変化−よる反射率の変化に左右されずに行うこ
とができる。即ち、照射パルス数は常に一定に固定し、
測定レーザ光の反射率から吸収されるレーザエネルギが
常に一定となる様に照射エネルギを調整する。

次に、第５図に上記の方法を実施するに最適な装置構成
を示す。レーザ発振器１がら発振したレーザ光２を集光
光学系４に入射させるために光路を曲げるためのミラー
２１，２２およびＸ−Ｙ方向に走査するための例えばガ
ルバノミラ−２６（図中では一方向だけを示す）、ミラ
ー２１からの透過光量を検出するための光量検出器２４
゜ミラー２５からの反射光量を検出するための光量検出
器２６．Ｘ−Ｙ２方向に移動可能な載物台５上に載置さ
れた例えばウニ・・２７に照射するレーザ出力を連続的
にあるいは十分に細いピッチで調斃するため透過光量調
整器２８およびウエノ・２７の位置決め、光量検出器２
４．２６の信号からレーザ光量・反射率の演算透過光量
調整器２８の制御およびレーザのＯＮ・ＯＦＦ等の制御
を行うための制御装置２９から成っている。

あるいは異なる透過率を有するミラーの出入れによりそ
こを通過する光量を変化させる、あるいは光軸に対して
垂直な面に対して面対称な関係を保ったまま入射角を連
続的に変化させる一組あるいは複数組のレーザ光に対し
て透明かつ屈折率が１と異なる平板より成る、あるいは
発振されたレーザ光２が直線偏光の場合には、−組ある
いは複数組のレーザ光軸の垂直面に対して面対称かつ光
軸に対してプリー−スタ角を持つ様に設置された平板を
光軸の回りに回転させる、あるいは偏光板を回転させる
等により透過光量を変化させ得る手段の１つあるいは被
数の組合せから成るもので、広い範囲にわたりかつ連続
あるいは十分に細かいピッチで透過率が設定できるもの
である。

まず、載物台５上に置かれたウェノ・２７に対してＸ−
Ｙ−θの位置決め調整を行った後、被レーザ処理部、即
ち配線接続部あるいは配線接続部と同一構造を持つ部分
に対して、十分に低い出力でレーザ光２を照射する。こ
の時、ミラー２゜を透過した光量を光量検出器２４で検
出する。これはミラー２００反射率をｒ２０とすると１
　　”２０　であり、検出光量が／’２４ならば、この
時のレーザた、上記配線接続部あるいは同一構造の部分
からの反射光量を光■検出器２６で検出する。この時の
検出光量を／’２６とし、ミラー２５０反射率をγ２３
．ミラー２３０反射率をｒ２３．集光光学系の透過率を
ｔ４とすると、ウェハ２７がらの反射光量７’２６ Ｐ′２丁はｐ”、７＝□で求まる。一方、つγ２５　　
°７２３　　°ｔ４ エバ２７に照射されたレーザ光量Ｐ２７は、透過光量調
整器２８の透過率ｔ２８ｓミラー２２の反射率γ２２か
らＳＰ　２？　＝　Ｐａ　’　ｒｎ　”　２８°γ２２
°（１”２５）　’　ｒ２３うち、相対吸収パワー密度
０．５５．パルス数５０パルスを選ぶと、透過光量調整
器２８の透通率’２Ｍ算出される値に設定して、目的の
配線接続部に５０ハルス照射すれば良い。上式でＰは、
レーザ発振器１で発振されたレーザ光２の光景をＰ。

とじて、集光光学系４で得られるスポットの面積で割っ
て得られるパワー密度を正規化した、相対パワー密度で
ある。これにより、例えは第３図に示した配線接続部に
対して、絶縁膜１４゜１５．１６の厚さの変動による反
射率の変化の影響を全く受けずに、常にＰｏ１ｙ−５ｉ
層１１．１２．１３に一定のレーザが吸収される様に照
射することができる。

次に本発明の別な実施例について説明する。

前に述べた配線接続に適用した場合と同様に第３図Ｋ　
＊　Ｌ、た配線接続部に対するレーザ照射条件は第４図
に示した通りである。ここで相対ノく’；’−密度０．
５５　、パルス数５０パルスの条件を選択する。絶縁膜
１４，１５．１６の膜厚の変動により、反射率は１％以
下から６２％、即ち吸収率は３８チ〜１００％まで変化
する。その中心値である吸収率６９％を基準に相対パワ
ー密度０．８０で配線接続部に照射したならば、Ｐｏ１
ｙ−５°ｔで吸収される相対パワー密度の範囲はおよそ
０３〜０．８となり、照射パルス数５０パルスの場合の
接続可能な条件範囲相対パワー密度０．４６〜０．６４
を逸脱した場合が生じ、さらにレーザ発振器のレーザ出
力のばらつきを考慮すると、良好な接続が行えない確率
はさらに増加する。

そこで、まずレーザの出力を十分に低くして接続が全く
起こらない出力レベルで配線接続部またはその周辺圧設
けた配線接続部と同一構造の部分に照射し、その照射光
量と反射光量から反射率あるいは吸収率を算出する。こ
の値から相対パワー密度０．８で照射した場合の、ｐｏ
ｌｙ−５ｉ層で吸収される相対パワー密度が算出できる
。

ここで、例えば反射率が１０％（吸収率が９０チ）とす
ると、ｐｏｌｙ−Ｓｉ層に吸収される相対パワー密度は
０７２となる。そこで、第６図に示す様に発振器出力は
、相対パワー密度０．８が得られる様に固定したまま、
９パルス照射すれば、良好な接続を行うことができる。

あるいは、反射率が５０％であるならば、ｐｏｌｙ−５
ｉで吸収される相対パワー密度は０．４となる。そこで
、発振器出力は相対パワー密度０．８が得られる様に固
定したまま、２７２パルス照射すれば、良好なＪｉ続を
豹うことができる。

次に上記の方法を実施するに最適な装置について説明す
る。装置構成を第７図に示すが、第５図に示した装置と
の違いは、透過光量調整器３０が連続的あるいは十分細
かいビッグ・で広い範囲にわたって調整する必要はなく
、例えば、測定用（十分に透過率が低い）と処理用（予
め設定したパワー密度が得られる透過率）の２種類の透
過率が得られれば良い。また、制御装置３１はウェハ２
７の位置決め、光量検出器２４．２６の信号からレーザ
光量・反射率の演算および照射パルス数の算出、透過光
量調整器３０の制御、レーザのＯＮ　、　ＯＦＦ等の制
御を行う。ここで、照射パルス数の算出は、第４図に示
した最適レーザ照射条件１９を近似式（例えばｙ＝Ａ−
Ｂ″）からη４出するか、あるいは条件のマツプを記憶
させておいて参照させても良い。本実施例によれば　パ
ルス数だけの条件設定を行えば良く、透過光量調整器３
０での調整は極めて容易である。

また、第１の実施例と第２の実施例を組合せて段階的に
透過光量を調整し、その範囲内で照射パルス数を調整す
れば良い。即ち、第４図に示した最適レーザ照射条件と
して、相対バク−密度０．５５　、パルス数５０パルス
を目標とし、レーザ発振器１０発掘出力をそのまま集光
させた場合の相対パワー密度が例えば５であるならば、
透過光量調整器３０で１０％〜１００％の透過率が１０
％きざみで得られる様にしておく。ここで、配線接続部
あるいは同一構造の部分で反射率を求める。例えば反射
率が１０％（吸収率が９０％）であるならば、透過光Ｊ
！：調整器３０は透通率を１０％に設定する。この時の
Ｐｏ１ｙ−δもで吸収される相対パワー密度は０．４５
となるがら１６６パルス照射スれば良い。また、例えば
反射率が５０％でｋ）るならば、透過光量調整器３０は
透過率を２０％に設定する。この時、ｐｏｌｙ−５ｉで
吸収される相対パワー密度は０５となるから、７４パル
ス照射すれば良い。

次に、第８図に、第１．第２．および第３の実施例で述
べた方法を実施するための別な装置の構成を示す。第５
図に示した第１り成との相違点は、レーザ発振器１から
発振さＪｌｌ、透過光量調整器２８を透過した光量を、
反射ミラー２５により測定するための光量検出器３２と
、し・−ザ光２を途中でしゃ断するための７ヤツク３３
を設けた点である。シャッタ３３を開いた状態で、十分
に低い出力レベルのレーザ光２を目的とする配線接続部
あるいはそれと同一構造の部分に照射して配線接続部あ
るいはそれと同一構造部分の反射率（あるいは吸収率）
を算出して、最適条件となる様に透過光量調整器２８を
設定したあと、シャッタ３３を閉じて、レーザ発振器１
を発振させて、光量検出器３２で、測定する。これによ
り、配線接続部に照射される光量を確１はあるいは、精
密に調整することができ、さらに最適な加工条件に設定
することができる。

以上述べて来た様に、本発明の実施例とじてレーザに対
して透明な膜を介してレーザ処理を行う場合圧ついて説
明して来たが、本発明はそれに限定されるものではない
。一般的なレーザ加工においては、表面状態により反射
率が異なり、同一条件では、良好なレーザ処理が行えな
い場合が多い。例えば、金属表面の焼入れ等の表面処理
、半導体基板へのレーザ・アニーリング（イメン注入し
た部分の結晶欠陥の回復）。

（、Ｌｌｉｌ約分あるいは全体的な結晶状態の変化（多
結晶あるいはアモルファスから単結晶へ、単結晶から多
結晶あるいはアモルファスへ）　ｒ　半２ｊ＋体集積回
路内配線の切断等のレーザ処理を行う場合に、反射率の
変化による実効的な吸収エネルギの変化を補正して、高
品質なレーザ処理を行うことができる。ただし、本実施
例で述べた様にレーザ照射条件どして、パワー密度、あ
るいは照射パルス数だけでなく、例えばレーザ光の移動
速度あるいはパルス繰返し数をレーザ照射条件として選
択して、反射率の変化を補正できることは明らかである
。

また、用いるレーザとして本実施例ではＱスイッチＹＡ
Ｇレーザの第２高調波を用いた場合について説明して来
たが、それに限定されるものではなく、パルス発振・連
続発振に、」−らず、また波長によっても制限されるも
ので（′：１ない。

以上述べて来た様洗、本発明によノシば使用するレーザ
に対して干渉あるいは表面状態の変化により反射率が変
化しても、それらの変化を補正した最適な処理条件で、
高品質・高歩留りにレーザ処理が行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術によるレーザ処理装置の構成図、第２
図は半導体基板上に形成したδｔＯ！膜厚と反射率の関
係を示す図、第３図は本発明を適用するに適した配線接
続部の断面構成図、第４図はレーザ条件範囲を示す図、
第５図は本発明装置の構成図、第６図はレーザ照射条件
を選択するための説明図、第７図及び第８図は別な本発
明装置の構成図である。 １・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・レーザ
発振器２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
ｖ　−−＋ｙ　光４・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・集光光学系５・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・載物台１１．１２・・・・・・・・・・
・・Ｉ＋、形Ｐｏ１ｙ　−Ｓｉ層１３　・・・・・・・
・・・・・・・・・・・　７層１４．１５．１６・・・
絶縁膜 １９・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｆｉｔ　：
ｉ６レーザ照射条件２８．３０・・・・・・・・・・・
・透：ｉｌ、：４光量調整器２４．２６．３２・・・光
」１１゛検出器２９．３１．３４・・・制御装置 第　　１　　図 第　２　図 ５１０２　　月莫　月更厚　　　　（７１７え　）第　
３　図 第　４　　図 照皇寸パルス敬 第　５　図 １６　旧 ／　　　　　　　ＩＱ　　　　　　　ＩＱ○　　　　　
１０００照　身重　ノぐルス穀 第　７　　ｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　レーザ処理を行う際に、被レーザ処理部あるいは
   被レーザ処理部と同一構造の部分にレーザ処理を行うの
   に用いるものと同一レーザを、出力を十分低い状態で照
   射してレーザ発振器出力と、上記被レーザ処理部あるい
   は被レーザ処理部と同一構造の部分からの反射光量から
   反射率を求め、その反射率から被レーザ処理部で吸収さ
   れる実効エネルギあるいはエネルギ密度を求めて、被レ
   ーザ処理部に照射するレーザ条件を最適な処理に行える
   様に調整してから照射することを特徴とするレーザ処理
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載のレーザ処理方法におい
   て、被レーザ処理部で吸収される実効エネルギあるいは
   エネルギ密度が常に一定となる様に被レーザ処理部に照
   射されるレーザ発振器出力あるいは途中の光学系の透過
   率を調整することを特徴とするレーザ処理方法。 ３、　特許請求の範囲第１項記載のレーザ処理方法にお
   いて、求められた反射率から予め設定されたレーザ・エ
   ネルギあるいはエネルギ密度で照射された時に被レーザ
   処理部で吸収される実効エネルギあるいはエネルギ密度
   を算出し、上記実効エネルギあるいはエネルギ密度に対
   する他の照射条件を最適にＥ整することを特徴とするレ
   ーザ処理方法。 ４、特許請求の範囲第３項記載のレーザ処理方法におい
   て、実効エネルギｔ）るいはエネルギ密度に対する他の
   照射条件として、照射パルス数を最適に調整することを
   特徴とするレーザ処理方法。 ５、特許請求の範囲第６項記載のレーザ処理方法におい
   て、実効エネルギあるいはエネルギ密度に対する他の照
   射条件として、レーザ光の相対的な移動速度を最適に調
   整することを特徴とするレーザ処理方法。 ６、　レーザ処理装置において、レーザ発振器から発振
   された出力を検出するための光量検出器と、被処理部か
   らの反射光量を検出するための光量検出器と、上記光量
   検出器からの信号にもとづいて、最適な処理を実現する
   ためのレーザ照射条件を決定するための制御装置を有す
   ることを特徴とするレーザ処理装置。 ２、特許請求の範囲第６項記載のレーザ処理装置におい
   て、制御装置の決定に基づいて、常に一定の吸収エネル
   ギ、あるいは吸収エネルギ密度が得られる様に照射エネ
   ルギを調整するための透過光量調整器を備えたことを特
   徴とするレーザ処理装置。 ８、％許請求の範囲第６項記載のレーザ処理装置におい
   て、測定用と処理用の少なくとも２種類の透過率が得ら
   れる透過光量調整器と反射率から最適なレーザ照射条件
   として、パルス照射数を決定するための制御装置を備え
   たことを特徴とするレーザ処理装置。