WO2021256434A1 - レーザアニール装置の制御装置及びレーザアニール方法 - Google Patents

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laser beam
sweep speed
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康弘 岡田
雅史 萬
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for a laser annealing device and a laser annealing method.
  • anneal it is necessary to heat (anneal) the semiconductor wafer in order to activate the dopant doped in the semiconductor wafer such as a silicon wafer.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • a resin protective tape is attached to the circuit forming surface. In order to prevent the protective tape from melting, it is desired to suppress the temperature rise of the circuit forming surface.
  • Laser annealing is used to irradiate the surface opposite to the circuit forming surface with laser light in order to sufficiently heat the surface opposite to the circuit forming surface and suppress the temperature rise of the circuit forming surface (for example,).
  • Patent Document 1 etc. As the laser oscillator for annealing, a continuous oscillation (CW) laser or a pulse laser such as a Q-switched laser or an excimer laser is used.
  • Patent Document 1 discloses a laser annealing technique using a laser diode-excited all-solid-state pulse laser oscillator.
  • An object of the present invention is to provide a control device for a laser annealing device and a laser annealing method capable of sufficiently raising the temperature of the laser irradiation surface of a semiconductor wafer and suppressing the temperature rise of the non-irradiation surface.
  • a control device that controls an annealing device that performs laser annealing by injecting a laser beam onto the surface of a semiconductor wafer and moving the beam spot of the laser beam onto the surface of the semiconductor wafer.
  • a control device is provided in which the sweep speed of the beam spot of the laser beam is increased by twice the value obtained by dividing the thermal diffusivity of the semiconductor wafer by the thickness of the semiconductor wafer.
  • the laser power of the pulsed laser beam incident on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer and the beam size on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer are determined.
  • the pulse repetition frequency and the sweep speed are provided under the condition that the beam spots of two consecutive shots partially overlap or are in contact with each other.
  • the sweep speed is further determined under the condition that the maximum temperature reached on the back surface of the semiconductor wafer opposite to the laser irradiation surface does not exceed the second target value.
  • a laser annealing method for performing laser annealing of the semiconductor wafer at a determined laser power, beam size, pulse repetition frequency, and beam spot sweep rate.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a laser annealing device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view of the laser annealing device according to this embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing a calculated value of a time change in surface temperature when a one-shot pulsed laser beam is incident on a silicon wafer.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor wafer to which a pulsed laser beam is incident.
  • 5A and 5B are graphs showing an example of the calculation result of the temperature distribution in the cross section of the semiconductor wafer.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the laser annealing method according to this embodiment.
  • 7A and 7B are schematic views showing the movement history of the beam spot.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a laser annealing device according to an embodiment.
  • the laser light source 10 outputs a pulsed laser beam.
  • the pulsed laser beam output from the laser light source 10 passes through the beam expander 11, the beam shaping optical element 12, the folded mirrors 13, 14, the beam scanner 15, and the f ⁇ lens 16 to irradiate the semiconductor wafer 20 to be annealed with the laser. It is incident on the surface.
  • the semiconductor wafer 20 is held by a wafer chuck 18 supported by a moving mechanism 17.
  • the moving mechanism 17 moves the wafer chuck 18 in two directions in the horizontal plane.
  • an XY stage is used as the moving mechanism 17, for example.
  • the beam expander 11 adjusts the beam size (diameter of the beam cross section) at the incident position of the laser beam on the beam shaping optical element 12.
  • the beam shaping optical element 12 shapes the shape and intensity distribution of the beam spot on the beam irradiation surface of the semiconductor wafer 20.
  • a diffractive optical element is used as the beam shaping optical element 12, for example.
  • the beam scanner 15 includes a galvano mirror 15A and a motor 15B.
  • the motor 15B rotates the galvano mirror 15A within a range in the tilting direction to scan the pulsed laser beam in one-dimensional direction.
  • the f ⁇ lens 16 concentrates the pulsed laser beam scanned by the beam scanner 15 on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer 20.
  • FIG. 2 is a schematic view of the laser annealing device according to this embodiment. The description of the contents overlapping with the description of FIG. 1 will be omitted.
  • a fiber laser oscillator is used as the laser light source 10.
  • the input side optical fiber 32 is connected to one end of the gain fiber 31 doped with the laser active medium, and the output side optical fiber 34 is connected to the other end.
  • a high-reflectance type fiber Bragg grating 33 is formed on the input side optical fiber 32, and a low-reflectance type fiber Bragg grating 35 is formed on the output side optical fiber 34.
  • An optical resonator is composed of a high-reflectance type fiber Bragg grating 33 and a low-reflectance type fiber Bragg grating 35.
  • the excitation light output from the laser diode 30 is introduced into the gain fiber 31 through the input side optical fiber 32.
  • the laser active medium doped in the gain fiber 31 is excited by the excitation light. Stimulated emission occurs when the laser active medium transitions to a low energy state, and laser light is generated.
  • the laser beam generated by the gain fiber 31 passes through the output side optical fiber 34 and is incident on the wavelength conversion element 36.
  • the laser beam wavelength-converted by the wavelength conversion element 36 is incident on the semiconductor wafer 20 via the beam expander 11, the beam shaping optical element 12, the folded mirrors 13 and 14, the beam scanner 15, and the f ⁇ lens 16.
  • the gain fiber 31 outputs, for example, a laser beam in an infrared region, and the wavelength conversion element 36 converts the laser beam in an infrared region into a laser beam in a green wavelength region.
  • the driver 37 drives the laser diode 30 based on a command from the control device 40.
  • the command received from the control device 40 includes information for designating the repetition frequency of the laser pulse output from the laser diode 30.
  • the driver 37 outputs an excitation laser beam from the laser diode 30 at the repetition frequency of the laser pulse commanded by the control device 40.
  • the laser light source 10 outputs a pulsed laser beam at the commanded repetition frequency.
  • the moving mechanism 17 and the wafer chuck 18 are arranged in the chamber 50.
  • a laser transmission window 51 is attached to the wall surface of the chamber 50 above the semiconductor wafer 20 held by the wafer chuck 18.
  • the pulsed laser beam transmitted through the f ⁇ lens 16 passes through the laser transmission window 51 and is incident on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer 20.
  • the laser annealing apparatus performs activation annealing of a dopant doped in, for example, the semiconductor wafer 20.
  • the semiconductor wafer 20 is, for example, a silicon wafer.
  • the control device 40 includes a console operated by the user.
  • the user operates the console to input information that specifies the repetition frequency of the pulse of the pulsed laser beam.
  • the control device 40 gives the driver 37 information that specifies the repetition frequency of the input pulse.
  • the control device 40 further controls the beam scanner 15 and the moving mechanism 17 to move the beam spot on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer 20.
  • An xyz orthogonal coordinate system is defined in which the direction in which the beam spot moves by scanning the pulsed laser beam with the beam scanner 15 is the x direction, and the direction orthogonal to the x direction in the laser irradiation surface is the y direction.
  • the movement of the beam spot in the x direction by scanning the pulsed laser beam with the beam scanner 15 is referred to as “sweep”.
  • the control device 40 controls the moving mechanism 17 to move the semiconductor wafer 20 in the y direction, and controls the beam scanner 15 to sweep the beam spot in the x direction to anneal the semiconductor wafer 20.
  • the maximum length at which the beam spot can be swept in the x direction depends on the swing angle of the pulsed laser beam by the beam scanner 15 and the performance of the f ⁇ lens 16.
  • the maximum length of sweeping is shorter than the size of the semiconductor wafer 20
  • a plurality of processes of sweeping the beam spot in the x direction while moving the semiconductor wafer 20 in the y direction are performed by moving the semiconductor wafer 20 in the x direction. By repeating this process, almost the entire area of the semiconductor wafer 20 can be annealed.
  • the surface temperature T of the laser irradiation surface of the semiconductor wafer 20 can be expressed by the following equation.
  • t is the elapsed time from the start of heating
  • C is the specific heat of the semiconductor wafer 20
  • ⁇ is the density of the semiconductor wafer 20
  • ⁇ is the thermal conductivity of the semiconductor wafer 20.
  • the unit of the surface temperature T is "K”
  • the unit of the power density P is "W / cm 2 "
  • the unit of the elapsed time t is "second”
  • the unit of the specific heat C is "J / g”.
  • the unit of density ⁇ is “g / cm 3 ”
  • the unit of thermal conductivity ⁇ is “W / cm ⁇ K”.
  • the target value of the maximum temperature T a of the laser irradiated surface determines the power density P and the pulse width t 0 required to raise the temperature to the target value.
  • FIG. 3 is a graph showing the calculated value of the time change of the surface temperature T when a one-shot pulsed laser beam is incident on a silicon wafer.
  • the horizontal axis represents the elapsed time t from the rising point of the laser pulse in the unit "ns”
  • the left vertical axis represents the surface temperature T of the semiconductor wafer 20 in the unit “° C”
  • the right vertical axis represents the power density of the pulsed laser beam.
  • P is expressed in the unit “MW / cm 2 ".
  • the broken line in the graph shows the time change of the power density P of the pulsed laser beam
  • the solid line shows the time change of the surface temperature T of the semiconductor wafer 20.
  • the pulse width of the pulsed laser beam is t 0 and the peak power density is 5 MW / cm 2 .
  • the surface temperature T rises according to the equation (1).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor wafer 20 to which the pulsed laser beam is incident.
  • the incident position of the laser beam is the heat source Pf.
  • the temperature rise amount ⁇ T of the position Pr on the non-irradiated surface directly under the heat source Pf is expressed by the following equation.
  • Q is the heat input from the heat source Pf to the semiconductor wafer 20
  • h is the thickness of the semiconductor wafer 20
  • v is the sweep rate of the heat source Pr
  • k is the heat diffusion rate of the semiconductor wafer 20. ..
  • the unit of heat input Q is "W”
  • the unit of thickness h of the semiconductor wafer 20 is "cm”
  • the unit of sweep speed v is "cm / s”
  • the unit of thermal diffusivity k Is "cm 2 / s”.
  • FIGS. 5A and 5B are graphs showing an example of the calculation result of the temperature distribution in the cross section of the semiconductor wafer 20.
  • FIGS. 5A and 5B show the temperature distribution in the cross section of the wafer with a finite thickness and the non-irradiated surface under adiabatic conditions.
  • the horizontal axis represents the position of the heat source Pf in the sweep direction.
  • the current position of the heat source Pf is set as the origin on the horizontal axis, and the moving direction of the heat source is set as positive.
  • the vertical axis represents the depth from the beam irradiation surface in the unit " ⁇ m”.
  • 5A and 5B show the temperature distribution when the sweep speed v of the heat source Pf is different.
  • FIG. 5B shows the temperature distribution when the sweep speed v of the heat source Pf is faster than that of FIG. 5A.
  • the curves in the graph represent isotherms, and the numerical values attached to each curve represent the temperature in the unit "° C".
  • FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the laser annealing method according to this embodiment.
  • the laser power and the beam size on the beam irradiation surface are determined from the first target value of the maximum temperature reached on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer 20 (step S1).
  • the power density P can be determined from the laser power and the beam size.
  • the first target value of the maximum temperature reached can be determined based on the melting point of the semiconductor wafer 20. For example, when it is desired to melt the surface layer portion of the semiconductor wafer 20, the maximum temperature reached may be set to be equal to or higher than the melting point. If it is desired to perform annealing without melting, the maximum temperature reached may be lower than the melting point.
  • the pulse repetition frequency and sweep rate v are determined under the condition that the beam spots of two consecutive shots partially overlap or are in contact with each other and the maximum reached temperature of the non-irradiated surface is equal to or less than the second target value.
  • the second target value of the maximum temperature reached on the non-irradiated surface may be, for example, a temperature such that the protective tape attached to the non-irradiated surface is not damaged.
  • FIG. 7A and 7B are schematic views showing the history of movement of the beam spot 25.
  • FIG. 7A shows an example in which beam spots 25 of two consecutive shots partially overlap each other
  • FIG. 7B shows an example in which beam spots 25 of two consecutive shots are in contact with each other.
  • the dimension in the sweep direction of the beam spot is expressed as L
  • the dimension in the sweep direction of the region where the beam spots of two consecutive shots overlap is expressed as Lov.
  • the dimension Lov of the overlapping region is expressed by the following equation. In order that the beam spots of two consecutive shots are not separated, Lov ⁇ 0 may be set. That is, The sweep speed v may be determined so as to satisfy the above conditions.
  • Laser annealing is performed with the laser power and beam size determined in step S1 shown in FIG. 6, the pulse repetition frequency determined in step S2, and the sweep speed of the beam spot (step S3).
  • the temperature rise amount ⁇ T of the non-irradiated surface is 1/1 of the temperature rise amount ⁇ T when the sweep speed v is set to 0 and laser irradiation is performed. It can be seen that it is reduced to e (about 0.37 times).
  • the beam spot 25 is swept by scanning the pulsed laser beam with the beam scanner 15. Therefore, by operating the moving mechanism 17 to move the semiconductor wafer 20, the sweeping speed v can be made faster than in the case of sweeping the beam spot on the laser irradiation surface.
  • the upper limit of the sweep speed v is limited by the product of the pulse repetition frequency f of the pulsed laser beam and the beam size L. In order to increase the upper limit of the sweep speed v, it is desired to increase the pulse repetition frequency f and increase the beam size L.
  • the beam size L is increased under the condition that the laser power is constant, the power density P on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer 20 decreases.
  • the pulse width t 0 In order to maintain the maximum temperature Ta of the laser irradiation surface under the condition that the power density P is lowered, the pulse width t 0 must be lengthened. When the pulse width t 0 becomes long, the amount of heat transfer conducted in the thickness direction during the period in which the laser pulse is incident increases. As a result, the temperature of the irradiated surface becomes high. Therefore, the beam size L cannot be increased unconditionally.
  • the pulse repetition frequency f should be increased in order to increase the upper limit of the sweep speed v without increasing the beam size L.
  • the pulse repetition frequency f is preferably 15 kHz or higher, and more preferably 100 kHz or higher.
  • the pulse repetition frequency f When the pulse repetition frequency f is low, the influence of the temperature rise on the laser irradiation surface due to the immediately preceding shot disappears, and after the temperature drops to the original temperature, the next shot is incident on the semiconductor wafer 20.
  • the pulse repetition frequency f When the pulse repetition frequency f is increased, the next shot is performed with the thermal influence of the previous shot remaining.
  • the pulse repetition frequency f is set to 15 kHz or more, the next shot is incident with a temperature increase of 1% or more remaining in the temperature increase amount ⁇ T of the laser irradiation surface due to the immediately preceding shot.
  • the pulse repetition frequency f is set to 100 kHz or more
  • the next shot is incident with a temperature increase of 5% or more remaining in the temperature increase amount ⁇ T of the laser irradiation surface due to the immediately preceding shot. Therefore, the beam irradiation surface can be heated more efficiently.
  • a fiber laser is used as the laser light source 10 (FIGS. 1 and 2), but a mode lock laser or the like may also be used.
  • a mode lock laser or the like may also be used.
  • the pulse laser is used for laser annealing in the above embodiment, a continuous wave (CW) laser may be used.
  • the CW laser corresponds to the case where the pulse repetition frequency f of the pulse laser is set to infinity.
  • a galvano scanner is used to sweep the beam spot at the sweep speed v, but if the semiconductor wafer 20 can be moved at a sufficient speed by using an XY stage or the like, a laser is used.
  • the beam spot may be swept on the laser irradiation surface of the semiconductor wafer 20 by fixing the path of the beam and moving the semiconductor wafer 20.
  • Laser light source 11 Beam expander 12 Beam shaping optical element 13, 14 Folded mirror 15 Beam scanner 15A Galvano mirror 15B Motor 16 f ⁇ lens 17 Moving mechanism 18 Wafer chuck 20 Semiconductor wafer 25 Beam spot 30 Laser diode 31 Gain fiber 32 Input side Optical fiber 33 Fiber Bragg grating 34 Output side optical fiber 35 Fiber Bragg grating 36 Wavelength conversion element 37 Driver 40 Control device 50 Chamber 51 Laser transmission window

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Abstract

半導体ウエハの表面にレーザビームを入射させ、レーザビームのビームスポットを半導体ウエハの表面上で移動させてレーザアニールを行うアニール装置を、制御装置が制御する。この制御装置は、半導体ウエハの熱拡散率を半導体ウエハの厚さで除した値の２倍より、レーザビームのビームスポットの掃引速度を速くする。これにより、半導体ウエハのレーザ照射面の温度を十分高め、非照射面の温度上昇を抑制することが可能になる。

Description

レーザアニール装置の制御装置及びレーザアニール方法
　本発明は、レーザアニール装置の制御装置及びレーザアニール方法に関する。
　シリコンウエハ等の半導体ウエハにドープしたドーパントの活性化を行うために、半導体ウエハを加熱（アニール）する必要がある。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の製造工程に、半導体ウエハの一方の面に回路素子を形成した後、他方の面に不純物をドープしてアニールを行う工程がある。アニールを行う際に、回路形成面に樹脂製の保護テープが貼り付けられる。保護テープの溶融を防止するために、回路形成面の温度上昇を抑制することが望まれる。
　回路形成面とは反対側の表面を十分加熱し、かつ回路形成面の温度上昇を抑制するために、回路形成面とは反対側の表面にレーザ光を照射するレーザアニールが用いられる（例えば、特許文献１等）。アニール用のレーザ発振器として、連続発振（ＣＷ）レーザ、またはＱスイッチレーザやエキシマレーザ等のパルスレーザが用いられる。特許文献１には、レーザダイオード励起全固体パルスレーザ発振器を用いたレーザアニール技術が開示されている。
特開２０１１－１１４０５２号公報
　半導体ウエハが薄くなると、レーザ光を照射する面（以下、レーザ照射面という。）を十分な温度まで加熱し、かつ回路形成面（以下、非照射面という。）の温度上昇を抑制することが困難になる。本発明の目的は、半導体ウエハのレーザ照射面の温度を十分高め、非照射面の温度上昇を抑制することが可能なレーザアニール装置の制御装置及びレーザアニール方法を提供することである。
　本発明の一観点によると、
　半導体ウエハの表面にレーザビームを入射させ、前記レーザビームのビームスポットを前記半導体ウエハの表面上で移動させてレーザアニールを行うアニール装置を制御する制御装置であって、
　前記半導体ウエハの熱拡散率を前記半導体ウエハの厚さで除した値の２倍より、前記レーザビームのビームスポットの掃引速度を速くする制御装置が提供される。
　本発明の他の観点によると、
　半導体ウエハのレーザ照射面の最高到達温度の第１目標値から、前記半導体ウエハのレーザ照射面に入射させるパルスレーザビームのレーザパワー、前記半導体ウエハのレーザ照射面におけるビームサイズ決定し、
　前記パルスレーザビームのビームスポットを前記半導体ウエハのレーザ照射面で掃引する際に、連続する２つのショットのビームスポットが部分的に重なるか、または相互に接する条件で、パルスの繰り返し周波数及び掃引速度を決定し、
　掃引速度を決定する際に、さらに、前記半導体ウエハのレーザ照射面とは反対側の裏面の最高到達温度が第２目標値を越えない条件の下で掃引速度を決定し、
　決定されたレーザパワー、ビームサイズ、パルスの繰り返し周波数、及びビームスポットの掃引速度で前記半導体ウエハのレーザアニールを行うレーザアニール方法が提供される。
　ビームスポットの掃引速度を上述のように調整することにより、半導体ウエハのレーザ照射面の温度を十分高め、非照射面の温度上昇を抑制することが可能になる。
図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略斜視図である。 図２は、本実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図３は、シリコンウエハに１ショットのパルスレーザビームを入射させたときの表面温度の時間変化の計算値を示すグラフである。 図４は、パルスレーザビームが入射する半導体ウエハの断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、半導体ウエハの断面内の温度分布の計算結果の一例を示すグラフである。 図６は、本実施例によるレーザアニール方法の手順を示すフローチャートである。 図７Ａ及び図７Ｂは、ビームスポットの移動履歴を示す模式図である。
　図１～図７Ｂを参照して、一実施例によるレーザアニール装置について説明する。
　図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略斜視図である。レーザ光源１０がパルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームがビームエキスパンダ１１、ビーム整形光学素子１２、折り返しミラー１３、１４、ビーム走査器１５、ｆθレンズ１６を経由してアニール対象である半導体ウエハ２０のレーザ照射面に入射する。
　半導体ウエハ２０は、移動機構１７に支持されたウエハチャック１８に保持されている。移動機構１７は、水平面内の二方向にウエハチャック１８を移動させる。移動機構１７として、例えばＸＹステージが用いられる。
　ビームエキスパンダ１１は、ビーム整形光学素子１２へのレーザビームの入射位置におけるビームサイズ（ビーム断面の直径）を調整する。ビーム整形光学素子１２は、半導体ウエハ２０のビーム照射面におけるビームスポットの形状及び強度分布を整形する。ビーム整形光学素子１２として、例えば回折光学素子が用いられる。ビーム走査器１５は、ガルバノミラー１５Ａ及びモータ１５Ｂを含む。モータ１５Ｂがガルバノミラー１５Ａをあおり方向にある範囲内で回転させることにより、パルスレーザビームを一次元方向に走査する。ｆθレンズ１６は、ビーム走査器１５で走査されたパルスレーザビームを、半導体ウエハ２０のレーザ照射面に集光する。
　図２は、本実施例によるレーザアニール装置の概略図である。図１の説明と重複する内容については説明を省略する。
　レーザ光源１０として、ファイバレーザ発振器が用いられる。レーザ活性媒質がドープされた利得ファイバ３１の一端に入力側光ファイバ３２が接続され、他端に出力側光ファイバ３４が接続されている。入力側光ファイバ３２に高反射率型のファイバブラッググレーティング３３が形成されており、出力側光ファイバ３４に低反射率型のファイバブラッググレーティング３５が形成されている。高反射率型のファイバブラッググレーティング３３と低反射率型のファイバブラッググレーティング３５とによって光共振器が構成される。
　レーザダイオード３０から出力された励起光が入力側光ファイバ３２を通って利得ファイバ３１に導入される。利得ファイバ３１にドープされているレーザ活性媒質が励起光によって励起される。レーザ活性媒質が低エネルギ状態に遷移するときに誘導放出が生じ、レーザ光が発生する。利得ファイバ３１で発生したレーザ光が、出力側光ファイバ３４を通って波長変換素子３６に入射する。波長変換素子３６で波長変換されたレーザビームがビームエキスパンダ１１、ビーム整形光学素子１２、折り返しミラー１３、１４、ビーム走査器１５、ｆθレンズ１６を経由して半導体ウエハ２０に入射する。利得ファイバ３１は、例えば赤外域のレーザ光を出力し、波長変換素子３６は赤外域のレーザ光を緑色の波長域のレーザ光に変換する。
　ドライバ３７が、制御装置４０からの指令に基づいてレーザダイオード３０を駆動する。制御装置４０から受ける指令には、レーザダイオード３０から出力されるレーザパルスの繰り返し周波数を指定する情報が含まれる。ドライバ３７は、制御装置４０から指令されたレーザパルスの繰り返し周波数で、レーザダイオード３０から励起用レーザ光を出力させる。その結果、レーザ光源１０から、指令された繰り返し周波数でパルスレーザビームが出力される。
　移動機構１７、ウエハチャック１８がチャンバ５０内に配置されている。ウエハチャック１８に保持された半導体ウエハ２０の上方のチャンバ５０の壁面にレーザ透過窓５１が取り付けられている。ｆθレンズ１６を透過したパルスレーザビームは、レーザ透過窓５１を透過して半導体ウエハ２０のレーザ照射面に入射する。本実施例によるレーザアニール装置は、例えば半導体ウエハ２０にドープされたドーパントの活性化アニールを行う。半導体ウエハ２０は、例えばシリコンウエハである。
　制御装置４０は、ユーザが操作するコンソールを含む。ユーザは、コンソールを操作して、パルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数を指定する情報を入力する。制御装置４０は、入力されたパルスの繰り返し周波数を指定する情報をドライバ３７に与える。
　制御装置４０は、さらに、ビーム走査器１５及び移動機構１７を制御することにより、半導体ウエハ２０のレーザ照射面においてビームスポットを移動させる。ビーム走査器１５でパルスレーザビームを走査することによってビームスポットが移動する方向をｘ方向とし、レーザ照射面内のｘ方向と直交する方向をｙ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ビーム走査器１５によってパルスレーザビームを走査することによるビームスポットのｘ方向への移動を「掃引」ということとする。制御装置４０は、移動機構１７を制御して半導体ウエハ２０をｙ方向に移動させながら、ビーム走査器１５を制御してビームスポットをｘ方向に掃引することにより、半導体ウエハ２０のアニールを行う。
　ビームスポットをｘ方向に掃引することができる最大長は、ビーム走査器１５によるパルスレーザビームの振り角及びｆθレンズ１６の性能に依存する。掃引の最大長が半導体ウエハ２０の寸法に比べて短い場合には、半導体ウエハ２０をｙ方向に移動させながらビームスポットをｘ方向に掃引する処理を、半導体ウエハ２０をｘ方向に移動させて複数回繰り返すことにより、半導体ウエハ２０のほぼ全域をアニールすることができる。
　次に、図３を参照して、パルスレーザビームを半導体ウエハ２０に入射させたときの表面温度の時間変化について説明する。
　簡単のために、均一なパワー密度Ｐのレーザパルスが半導体ウエハ２０に入射する場合について説明する。半導体ウエハ２０のレーザ照射面の表面温度Ｔは以下の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ｔは加熱開始からの経過時間、Ｃは半導体ウエハ２０の比熱、ρは半導体ウエハ２０の密度、λは半導体ウエハ２０の熱伝導率である。例えば、表面温度Ｔの単位は「Ｋ」であり、パワー密度Ｐの単位は「Ｗ／ｃｍ２」であり、経過時間ｔの単位は「秒」であり、比熱Ｃの単位は「Ｊ／ｇ・Ｋ」であり、密度ρの単位は「ｇ／ｃｍ３」であり、熱伝導率λの単位は「Ｗ／ｃｍ・Ｋ」である。
　パルスレーザビームのパルス幅をｔ０と表記すると、レーザ照射面の最高到達温度Ｔａは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　レーザ照射面の最高到達温度Ｔａの目標値が決まると、その目標値まで温度を上昇させるために必要なパワー密度Ｐ及びパルス幅ｔ０が決まる。
　図３は、シリコンウエハに１ショットのパルスレーザビームを入射させたときの表面温度Ｔの時間変化の計算値を示すグラフである。横軸はレーザパルスの立ち上がり時点からの経過時間ｔを単位「ｎｓ」で表し、左縦軸は半導体ウエハ２０の表面温度Ｔを単位「℃」で表し、右縦軸はパルスレーザビームのパワー密度Ｐを単位「ＭＷ／ｃｍ２」で表す。グラフ中の破線はパルスレーザビームのパワー密度Ｐの時間変化を示し、実線は半導体ウエハ２０の表面温度Ｔの時間変化を示す。パルスレーザビームのパルス幅はｔ０であり、ピークパワー密度は５ＭＷ／ｃｍ２である。
　レーザパルスが入射している期間（０≦ｔ≦ｔ０）は、式（１）に従って表面温度Ｔが上昇する。レーザパルスの立ち上がり時点からパルス幅ｔ０に相当する時間が経過した時点（ｔ＝ｔ０）における表面温度Ｔが最高到達温度Ｔａに等しい。レーザパルスが立ち下がった後（ｔ≧ｔ０）は、表面温度Ｔが徐々に低下する。
　次に、図４～図５Ｂを参照して半導体ウエハ２０の非照射面の温度上昇について説明する。
　図４は、パルスレーザビームが入射する半導体ウエハ２０の断面図である。レーザビームの入射位置が熱源Ｐｆとなる。簡単のため、無限に厚い板の熱源直下の温度分布を考えると、熱源Ｐｆの直下の非照射面上の位置Ｐｒの温度上昇量ΔＴは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここで、Ｑは熱源Ｐｆから半導体ウエハ２０への入熱であり、ｈは半導体ウエハ２０の厚さであり、ｖは熱源Ｐｒの掃引速度であり、ｋは半導体ウエハ２０の熱拡散率である。例えば、入熱Ｑの単位は「Ｗ」であり、半導体ウエハ２０の厚さｈの単位は「ｃｍ」であり、掃引速度ｖの単位は「ｃｍ／ｓ」であり、熱拡散率ｋの単位は「ｃｍ２／ｓ」である。
　式（３）から、熱源Ｐｆの掃引速度ｖが遅くなるほど、非照射面の点Ｐｒの温度上昇量ΔＴが大きくなることが分かる。特に、半導体ウエハ２０の厚さｈが薄い場合には、温度上昇量ΔＴの増大が顕著になる。
　図５Ａ及び図５Ｂは、半導体ウエハ２０の断面内の温度分布の計算結果の一例を示すグラフである。なお、図５Ａ及び図５Ｂは、有限の厚さで非照射面が断熱条件下でのウエハ断面内温度分布を示している。横軸は熱源Ｐｆの掃引方向の位置を表す。熱源Ｐｆの現在の位置を横軸の原点とし、熱源の移動方向を正としている。縦軸は、ビーム照射面からの深さを単位「μｍ」で表す。図５Ａ及び図５Ｂは、熱源Ｐｆの掃引速度ｖが異なっている場合の温度分布を示している。図５Ｂは図５Ａより熱源Ｐｆの掃引速度ｖが速い場合の温度分布を示している。グラフ中の曲線は等温線を表しており、各曲線に付した数値は、温度を単位「℃」で表している。
　掃引速度ｖが遅い場合（図５Ａ）は、速い場合（図５Ｂ）と比べて、厚さ方向の温度勾配が緩やかであることがわかる。すなわち、掃引速度ｖが遅い場合には、速い場合と比べて、非照射面の温度上昇量ΔＴが大きい。言い換えると、掃引速度ｖを速くすることによって、非照射面の温度上昇量ΔＴを低減させることができる。
　次に、図６を参照して本実施例によるレーザアニール方法について説明する。
　図６は、本実施例によるレーザアニール方法の手順を示すフローチャートである。まず、半導体ウエハ２０のレーザ照射面の最高到達温度の第１目標値から、レーザパワー、及びビーム照射面におけるビームサイズを決定する（ステップＳ１）。レーザパワーとビームサイズとから、パワー密度Ｐを決定することができる。最高到達温度の第１目標値は、半導体ウエハ２０の融点に基づいて決定することができる。例えば、半導体ウエハ２０の表層部を溶融させたい場合には、最高到達温度を融点以上にすればよい。非溶融でアニールを行いたい場合には、最高到達温度を融点より低くすればよい。
　連続する２ショットのビームスポットが部分的に重なるか、または相互に接する条件で、かつ非照射面の最高到達温度が第２目標値以下となる条件で、パルスの繰り返し周波数及び掃引速度ｖを決定する（ステップＳ２）。非照射面の最高到達温度の第２目標値は、例えば、非照射面に貼り付けられている保護テープが損傷を受けない程度の温度にすればよい。
　次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、パルスの繰り返し周波数ｆと掃引速度ｖとを決定する方法について説明する。
　図７Ａ及び図７Ｂは、ビームスポット２５の移動の履歴を示す模式図である。図７Ａは、連続する２ショットのビームスポット２５が部分的に重なっている例を示し、図７Ｂは、連続する２ショットのビームスポット２５が相互に接している例を示している。ビームスポットの掃引方向の寸法をＬと表記し、連続する２ショットのビームスポットが重なる領域の掃引方向の寸法をＬｏｖと表記する。重なり領域の寸法Ｌｏｖは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 連続する２ショットのビームスポットが離隔しないためには、Ｌｏｖ≧０とすればよい。すなわち、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 を満たすように掃引速度ｖを決定すればよい。
　図６に示したステップＳ１で決定したレーザパワー、ビームサイズ、及びステップＳ２で決定したパルスの繰り返し周波数、ビームスポットの掃引速度でレーザアニールを行う（ステップＳ３）。
　次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
　式（３）から、ビームスポットの掃引速度ｖを２ｋ／ｈより速くすると、非照射面の温度上昇量ΔＴが、掃引速度ｖを０にしてレーザ照射を行う場合の温度上昇量ΔＴの１／ｅ（約０．３７倍）まで低減することがわかる。半導体ウエハ２０の非照射面の温度上昇量ΔＴを低減させる有意な効果を得るために、掃引速度ｖを２ｋ／ｈより速くすることが好ましい。言い換えると、半導体ウエハ２０の熱拡散率を半導体ウエハ２０の厚さで除した値の２倍より、レーザビームのビームスポットの掃引速度を速くすることが好ましい。
　上記実施例では、ビーム走査器１５でパルスレーザビームを走査することによってビームスポット２５を掃引している。このため、移動機構１７を動作させて半導体ウエハ２０を移動させることによって、レーザ照射面においてビームスポットを掃引する場合と比べて、掃引速度ｖをより速くすることができる。
　次に、上記実施例の変形例について説明する。
　非照射面の温度上昇量ΔＴを低減させるためには、式（３）から分かるように、掃引速度ｖをなるべく速くすることが好ましい。ところが、式（５）から、掃引速度ｖの上限値がパルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数ｆとビームサイズＬとの積によって制限される。掃引速度ｖの上限値を高めるために、パルスの繰り返し周波数ｆを高くし、ビームサイズＬを大きくすることが望まれる。
　レーザパワーを一定にした条件でビームサイズＬを大きくすると、半導体ウエハ２０のレーザ照射面におけるパワー密度Ｐが低下してしまう。パワー密度Ｐが低下した条件でレーザ照射面の最高到達温度Ｔａを維持するためには、パルス幅ｔ０を長くしなければない。パルス幅ｔ０が長くなると、レーザパルスが入射している期間に厚さ方向に伝導する伝熱量が大きくなる。その結果、被照射面の温度が高くなってしまう。従って、ビームサイズＬを無条件に大きくすることはできない。
　ビームサイズＬを大きくすることなく、掃引速度ｖの上限値を高くするためには、式（５）からパルスの繰り返し周波数ｆを高くすればよいことがわかる。例えば、厚さ１００μｍ以下の半導体ウエハの非照射面の温度の過度の上昇を抑制するために、パルスの繰り返し周波数ｆを１５ｋＨｚ以上にすることが好ましく、１００ｋＨｚ以上にすることがより好ましい。
　パルスの繰り返し周波数ｆが低い場合には、直前のショットによるレーザ照射面の温度上昇の影響がなくなり、元の温度まで低下した後、次のショットが半導体ウエハ２０に入射することになる。パルスの繰り返し周波数ｆを高めると、直前のショットによる熱影響が残っている状態で次のショットが行われる。特に、パルスの繰り返し周波数ｆを１５ｋＨｚ以上にすると、直前のショットによるレーザ照射面の温度上昇量ΔＴのうち１％以上の温度の上昇分が残存する状態で次のショットが入射する。また、パルスの繰り返し周波数ｆを１００ｋＨｚ以上にすると、直前のショットによるレーザ照射面の温度上昇量ΔＴのうち５％以上の温度の上昇分が残存する状態で次のショットが入射する。このため、ビーム照射面をより効率的に加熱することができる。
　上記実施例では、レーザ光源１０（図１、図２）として、ファイバレーザを用いたが、その他にモードロックレーザ等を用いてもよい。また、上記実施例ではレーザアニールにパルスレーザを用いているが、連続波（ＣＷ）レーザを用いてもよい。ＣＷレーザは、パルスレーザのパルスの繰り返し周波数ｆを無限大にした場合に相当する。
　また、上記実施例では掃引速度ｖでビームスポットを掃引するためにガルバノスキャナを用いているが、ＸＹステージ等を用いて半導体ウエハ２０を十分な速さで移動させることができる場合には、レーザビームの経路を固定し、半導体ウエハ２０を移動させることによって、半導体ウエハ２０のレーザ照射面上でビームスポットを掃引してもよい。
　上記実施例は例示であり、本発明は上記実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１０　レーザ光源
１１　ビームエキスパンダ
１２　ビーム整形光学素子
１３、１４　折り返しミラー
１５　ビーム走査器
１５Ａ　ガルバノミラー
１５Ｂ　モータ
１６　ｆθレンズ
１７　移動機構
１８　ウエハチャック
２０　半導体ウエハ
２５　ビームスポット
３０　レーザダイオード
３１　利得ファイバ
３２　入力側光ファイバ
３３　ファイバブラッググレーティング
３４　出力側光ファイバ
３５　ファイバブラッググレーティング
３６　波長変換素子
３７　ドライバ
４０　制御装置
５０　チャンバ
５１　レーザ透過窓

Claims (5)

  1. 　半導体ウエハの表面にレーザビームを入射させ、前記レーザビームのビームスポットを前記半導体ウエハの表面上で移動させてレーザアニールを行うアニール装置を制御する制御装置であって、
    　前記半導体ウエハの熱拡散率を前記半導体ウエハの厚さで除した値の２倍より、前記レーザビームのビームスポットの掃引速度を速くする制御装置。
  2. 　前記アニール装置は、
    　前記半導体ウエハを保持して第１方向に移動させる移動機構と、
    　前記レーザビームを走査することにより、前記半導体ウエハの表面上でビームスポットを前記第１方向と交差する第２方向に移動させるビーム走査器と
    を有し、
    　前記半導体ウエハに対するビームスポットの前記第２方向の掃引速度を、２ｋ／ｈより速くする請求項１に記載の制御装置。
  3. 　前記レーザビームはパルスレーザビームであり、パルスの繰り返し周波数が１５ｋＨｚ以上であり、連続する２つのショットのビームスポットが部分的に重なるか、または相互に接する条件で、ビームスポットを前記第２方向に移動させる請求項２に記載の制御装置。
  4. 　前記レーザビームのパルスの繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以上である請求項３に記載の制御装置。
  5. 　半導体ウエハのレーザ照射面の最高到達温度の第１目標値から、前記半導体ウエハのレーザ照射面に入射させるパルスレーザビームのレーザパワー、前記半導体ウエハのレーザ照射面におけるビームサイズ決定し、
    　前記パルスレーザビームのビームスポットを前記半導体ウエハのレーザ照射面で掃引する際に、連続する２つのショットのビームスポットが部分的に重なるか、または相互に接する条件で、パルスの繰り返し周波数及び掃引速度を決定し、
    　掃引速度を決定する際に、さらに、前記半導体ウエハのレーザ照射面とは反対側の裏面の最高到達温度が第２目標値を越えない条件の下で掃引速度を決定し、
    　決定されたレーザパワー、ビームサイズ、パルスの繰り返し周波数、及びビームスポットの掃引速度で前記半導体ウエハのレーザアニールを行うレーザアニール方法。
     
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