JP2011056536A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の加工を行う。
【解決手段】 レーザビームを出射する光源と、加工対象物を保持する保持面を備えるステージと、光源を出射したレーザビームを、ステージに伝搬可能な光学系であって、外部からの信号により伝搬、非伝搬の制御が行われる光学系と、光学系に信号を送信し、ステージへのレーザビームの伝搬、非伝搬の制御を行う制御装置とを有し、ステージに加工対象物を保持したとき、ステージの保持面にレーザビームの照射が禁止される照射禁止領域、及びレーザビームの照射が許容される照射許容領域が画定され、制御装置は照射禁止領域と照射許容領域との境界線の位置情報を記憶しており、ステージの位置と境界線の位置情報とに基づいて、照射禁止領域にレーザビームが照射されないように、ステージへのレーザビームの伝搬、非伝搬の制御を行うレーザ加工装置が提供される。
【選択図】 図１

Description

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。

不純物が添加されたシリコンウエハにレーザビームを照射して、不純物を活性化させる活性化アニール（レーザアニール）が行われている。

図４は、ステージのワーク設置プレート４０上に載置されたシリコンウエハ２０を示す平面図である。シリコンウエハ２０は、レーザビームを入射させて活性化アニールを行う領域（照射対象領域２０ａ）及びその周辺に画定された照射可能領域２０ｂを含む。照射可能領域２０ｂは、たとえば円形状のシリコンウエハ２０の外周から内側に、約２ｍｍの円環状範囲に画定される領域である。照射対象領域２０ａはレーザビームの照射が積極的に許容される照射許容領域、照射可能領域２０ｂはレーザビームの照射が消極的に許容される照射許容領域である。シリコンウエハ２０の下面には、ウエハの強度を補強するため、補強テープ２０ｃが貼付されている。

活性化アニールの際に、補強テープ２０ｃやワーク設置プレート４０にレーザビームが照射されると、補強テープ２０ｃの溶融、ワーク設置プレート４０の損傷により、パーティクルが発生する。発生したパーティクルは、たとえばシリコンウエハ２０の照射対象領域２０ａ上に飛散し、活性化アニールの品質を低下させる。このため、シリコンウエハ２０の照射可能領域２０ｂの外部の補強テープ２０ｃやワーク設置プレート４０は、レーザビームの照射が禁止される領域（照射禁止領域）である。

断面形状の異なる２つ以上のパルスレーザビームを用いて高品質の活性化アニールを実現するビーム照射方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、ＸＹステージの加減速領域では、シャッタまたはマスクによりレーザパルスを遮断して被加工物にレーザパルスを照射しないことを特徴とする薄膜半導体装置の製造方法の発明が知られている（たとえば、特許文献２参照）。

更に、複数の集光手段と、複数の集光手段へ任意のレーザビーム入射角を保ちつつ、複数の集光手段の垂直方向を軸に軸回転するビーム回転照射手段と、ビーム回転照射手段の軸回転に同期して複数の集光手段の集光面の向きを一定方向に保ちつつ、所定半径で公転させる複数の集光手段の公転手段とを備えるレーザ加工装置の発明が公知である（たとえば、特許文献３）。このレーザ加工装置を用いると、穴径とテーパ角度とを自在に加工することが可能である。

特開２００８−１０５０４６号公報 特開平１１−２０４８１５号公報 特開２００６−２３９７１７号公報

本発明の目的は、高品質の加工を行うことのできるレーザ加工装置及びレーザ加工方法
を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射する光源と、加工対象物を保持する保持面を備えるステージと、前記光源を出射したレーザビームを、前記ステージに伝搬可能な光学系であって、外部からの信号により伝搬、非伝搬の制御が行われる光学系と、前記光学系に信号を送信し、前記ステージへのレーザビームの伝搬、非伝搬の制御を行う制御装置とを有し、前記ステージに加工対象物を保持したとき、該ステージの保持面にレーザビームの照射が禁止される照射禁止領域、及びレーザビームの照射が許容される照射許容領域が画定され、前記制御装置は、前記照射禁止領域と前記照射許容領域との境界線の位置情報を記憶しており、前記ステージの位置と前記境界線の位置情報とに基づいて、前記照射禁止領域にレーザビームが照射されないように、前記ステージへのレーザビームの伝搬、非伝搬の制御を行うレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、（ａ）レーザビームの照射が禁止される照射禁止領域、及びレーザビームの照射が許容される照射許容領域が画定されたステージを移動させる工程と、（ｂ）レーザビームの経路上に前記照射禁止領域があるか否かを判定する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）で、ないと判定された場合には、前記ステージにレーザビームを入射させ、あると判定された場合には、前記ステージにレーザビームを入射させない工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、高品質の加工を行うことの可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することができる。

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方法について説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｃ）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。 ステージのワーク設置プレート４０上に載置されたシリコンウエハ２０を示す平面図である。

図１は、実施例によるレーザ加工装置を示す概略図である。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１２、光学系１５、シャッタ１６、フォトディテクタ１７、制御装置１８、及び加工ステージ１９を含んで構成される。シャッタ１６は、反射ミラー１６ａ及びダンパ１６ｂを含む。制御装置１８は、記憶装置１８ａを備える。加工ステージ１９は、ステージ１９ａ、駆動系１９ｂ、エンコーダ１９ｃ、及びエネルギメータ１９ｄを含む。

レーザ光源１０が、制御装置１８から送られるトリガ信号を受けて、パルスレーザビーム３０を出射する。レーザ光源１０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器、及び非線形光学結晶を含む。パルスレーザビーム３０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波である。

パルスレーザビーム３０は、必要に応じて配置される反射ミラー１１で反射され、バリアブルアッテネータ１２で光強度を減衰された後、反射ミラー１３、１４、光学系１５を経て加工ステージ１９に載置されたシリコンウエハ２０に照射される。光学系１５は、たとえばシリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０の強度を均一化する均一化光学系を含む。光学系１５を経由したパルスレーザビーム３０は、たとえば長さ方向２．５ｍｍ、幅方向０．３ｍｍの長尺状に整形され、シリコンウエハ２０に入射する。制御装置１８は、光学系１５を制御して、シリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０のビームサイズを変化させることができる。制御装置１８は、シリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０の現在のビームサイズを把握する。

シリコンウエハ２０は、たとえば図４に示す、不純物が添加されたシリコンウエハである。照射対象領域と、その周辺に画定された照射可能領域とを含み、ウエハ下面には、強度を補強するための補強テープが貼付されている。シリコンウエハ２０に入射する長尺状ビーム３０により、入射位置の活性化アニールが行われる。シリコンウエハ２０は、ワーク設置プレート４０上に設置されている。

シャッタ１６の反射ミラー１６ａは、レーザ光源１０から出射したパルスレーザビーム３０の光路上に挿し入れ自在に配置される。反射ミラー１６ａが、レーザビーム３０の光路上に配置されない場合、シャッタ１６は「開」となり、パルスレーザビーム３０はシリコンウエハ２０に照射される。反射ミラー１６ａが、レーザビーム３０の光路上に配置された場合、パルスレーザビーム３０は、反射ミラー１６ａで反射されてダンパ１６ｂに入射するため、シャッタ１６は「閉」となり、パルスレーザビーム３０はシリコンウエハ２０に照射されない。反射ミラー１６ａをパルスレーザビーム３０の光路上に挿し入れすることによる、シリコンウエハ２０へのレーザビーム３０の照射制御は、制御装置１８からの制御信号によって行われる。

フォトディテクタ１７は、バリアブルアッテネータ１２通過後のパルスレーザビーム３０を検出する光検出器である。検出されたパルスレーザビーム３０のデータは制御装置１８に伝達される。制御装置１８は伝達されるデータから、たとえばバリアブルアッテネータ１２通過後のパルスレーザビーム３０のパルスエネルギを把握することができる。

加工ステージ１９のステージ１９ａ（保持面）には、ワーク設置プレート４０上に載置されたシリコンウエハ２０が保持される。

駆動系１９ｂはモータを含んで構成され、ステージ１９ａを２次元方向（ＸＹ方向）に移動させることができる。またＺ軸に平行な回転軸Ｌの周囲に、ステージ１９ａを回転させることができる。回転軸Ｌはステージ１９ａに固定されている。このため、ステージ１９ａが２次元方向に移動した場合には、それに伴って回転軸Ｌ（ステージ１９ａの回転中心）も移動する。駆動系１９ｂによるステージ１９ａの移動及び回転は、制御装置１８により制御することができる。なお、ＸＹＺ座標系は右手系の固定直交座標系である。

エンコーダ１９ｃは、ステージ１９ａの現在位置（２次元方向の移動量及び回転軸Ｌの周囲の回転角度）を読み取る。エンコーダ１９ｃによって把握されたステージ１９ａの位置情報は制御装置１８に送信される。制御装置１８により把握されるステージ１９ａの位置情報には、たとえば回転軸Ｌの現在ＸＹ座標も含まれる。

エネルギメータ１９ｄは、たとえばステージ１９ａに固定されており、駆動系１９ｂを用いてステージ１９ａとともに移動させることが可能である。駆動系１９ｂによってエネルギメータ１９ｄを移動させ、パルスレーザビーム３０をエネルギメータ１９ｄに入射させて、パルスレーザビーム３０のパルスエネルギを計測することができる。計測値は制御装置１８に伝達される。制御装置１８は、パルスエネルギが活性化アニールに適正な所定範囲にないときには、適正範囲内の値となるように、バリアブルアッテネータ１２を制御してパルスレーザビーム３０のビーム強度を調整する。

光学系１５は、ガルバノスキャナのようなビーム走査器を含まない。このため、光学系１５を出射したパルスレーザビーム３０は、加工ステージ１９上の固定座標系における一定位置に入射する。制御装置１８の記憶装置１８ａには、レーザビーム３０の固定的入射位置が記憶されている。

図２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。図２は、ステージ１９ａ上に、ワーク設置プレート４０を介して配置されたシリコンウエハ２０を示す平面図である。ステージ１９ａ上には、Ｘ方向、Ｙ方向に沿って３枚ずつ、合計９枚のシリコンウエハ２０が設置されている。ステージ１９ａ上における、各シリコンウエハ２０の設置位置情報（照射禁止領域と照射許容領域との境界線の位置情報、すなわち各シリコンウエハ２０の外周線の位置情報）は、制御装置１８の記憶装置１８ａに記憶されている。

上述のように、長尺状のパルスレーザビーム３０は、加工ステージ１９上の固定座標系における一定位置に入射する。したがって、シリコンウエハ２０上におけるパルスレーザビーム３０の走査は、制御装置１８によるステージ１９ａの移動により行う。

たとえば、シリコンウエハ２０にパルスレーザビーム３０を入射させながら、ステージ１９ａをＹ軸負方向に移動させる。図面左下のシリコンウエハ２０からレーザアニールが開始され、図面左上のシリコンウエハ２０までビーム入射位置の不純物が活性化される。パルスレーザビーム３０の入射位置が、図面左上のシリコンウエハ２０の照射対象領域２０ａを過ぎると、ステージ１９ａをＸ軸負方向、その後Ｙ軸正方向に移動させて活性化アニールを行う。本図には、シリコンウエハ２０上におけるパルスレーザビーム３０の入射位置の移動を点線で表した。

実施例によるレーザ加工方法においては、パルスレーザビーム３０の入射位置がシリコンウエハ２０の外部（レーザビームの照射禁止領域）にかかる場合には、レーザビーム３０がシリコンウエハ２０の外部に照射されないように、反射ミラー１６ａをレーザビーム３０の光路上に挿し入れ、シャッタ１６を閉じて、パルスレーザビーム３０が加工ステージ１９の保持面に到達しないよう制御を行う。すなわちシリコンウエハ２０の位置に同期してシャッタ１６の開閉制御を行う。パルスレーザビーム３０の入射位置がシリコンウエハ２０の外部にかかるか否かの判定は、ステージ１９ａ上（保持面上）におけるシリコンウエハ２０の設置位置情報、レーザビーム３０の固定的入射位置及びビームサイズの情報、更に、ステージ１９ａの位置情報に基づいて、制御装置１８が行う。

たとえば保持面上にレーザビーム３０の照射禁止領域と照射許容領域とが画定されたステージ１９ａを移動させる。次に、ステージ１９ａの移動後の位置で、長尺状のレーザビーム３０の経路上に照射禁止領域があるか否かを判定する。「ない」と判定された場合には、ステージ１９ａにレーザビーム３０を入射させ、「ある」と判定された場合には、ステージ１９ａにレーザビーム３０を入射させない。

図２に示す第１の実施例においては、たとえばステージ１９ａのＸＹ方向への移動に伴ってレーザビーム３０の入射位置が領域５０ａ〜５０ｃ等にかかるときに、シャッタを閉じ加工ステージ１９にレーザビーム３０を入射させない制御を行う。このような制御を行うことで、補強テープ２０ｃやワーク設置プレート４０へのパルスレーザビーム３０の照射によるパーティクルの発生が防止され、加工品質の高い活性化アニールを実現することができる。

図３（Ａ）〜（Ｃ）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。図３（Ａ）は、ステージ１９ａ上に、ワーク設置プレート４０を介して配置されたシリコンウエハ２０を示す平面図である。ステージ１９ａ上には、回転軸Ｌを中心とする円周方向に沿って６枚のシリコンウエハ２０が設置されている。ステージ１９ａ上における、各シリコンウエハ２０の設置位置情報（照射禁止領域と照射許容領域との境界線の位置情報）は、制御装置１８の記憶装置１８ａに記憶されている。

第２の実施例においては、シリコンウエハ２０にパルスレーザビーム３０を入射させながら、ステージ１９ａを回転軸Ｌの周囲に回転させる。

位置Ｓ_１にパルスレーザビーム３０が入射し、図面下のシリコンウエハ２０から活性化アニールが開始される。ステージ１９ａが回転軸Ｌを中心に反時計回りに回転することにより、パルスレーザビーム３０は時計回りにシリコンウエハ２０に照射される。本図には、ステージ１９ａが１回転する間のシリコンウエハ２０上におけるパルスレーザビーム３０の入射位置の移動を点線Ｔ_１で表した。

第２の実施例においても、パルスレーザビーム３０の入射位置がシリコンウエハ２０の外部にかかる場合には、シャッタ１６を閉じて、パルスレーザビーム３０が加工ステージ１９に到達しないよう制御を行う。パルスレーザビーム３０の入射位置がシリコンウエハ２０の外部にかかるか否かの判定は、ステージ１９ａ上におけるシリコンウエハ２０の設置位置情報、レーザビーム３０の固定的入射位置及びビームサイズの情報、更にステージ１９ａや回転軸Ｌの位置情報に基づいて、制御装置１８が行う。ステージ１９ａの１回転めにおける活性化アニールにおいては、たとえばステージ１９ａの回転に伴ってレーザビーム３０の入射位置が領域５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ等にかかるときに、シャッタ１６を閉じ加工ステージ１９にレーザビーム３０を入射させない制御を行う。

ステージ１９ａが１回転したら、ステージ１９ａをＹ軸負方向に移動させ、更に１回転させる。この回転におけるシリコンウエハ２０上のパルスレーザビーム３０入射位置は、たとえば位置Ｓ_２からはじまる点線Ｔ_２で表される。点線Ｔ_１及びＴ_２は、相互に異なる同心円上に画定される点線である。

この回転における活性化アニールにおいては、たとえばレーザビーム３０の入射位置が領域５０ｇ、５０ｈ、５０ｉ等にかかるときに、シャッタ１６を閉じ加工ステージ１９にレーザビーム３０を入射させない制御を行う。

パルスレーザビーム３０の入射位置がシリコンウエハ２０の外部にかかる場合には、パルスレーザビーム３０を加工ステージ１９に到達させない制御を行うことで、高品質で活性化アニールを実施することができる。

図３（Ｂ）及び（Ｃ）を参照する。シリコンウエハ２０にパルスレーザビーム３０を入射させながら、ステージ１９ａを回転軸Ｌの周囲に回転させるレーザ加工方法（第２の実施例）は、ステージ１９ａを１回転させた後に、Ｙ軸負方向に移動させる工程を繰り返す態様と、ステージ１９ａを回転させながらＹ軸負方向に移動させる態様とを含む。前者の態様におけるレーザビーム３０の入射位置の大略は図３（Ｂ）で示される。後者の態様におけるそれは図３（Ｃ）で表される。

ステージ１９ａを回転軸Ｌの周囲に回転させながらパルスレーザビーム３０をシリコンウエハ２０に入射させて活性化アニールを行う第２の実施例においては、シリコンウエハ２０上のビーム入射位置にかかわらず、入射ビームのフルエンス（単位面積当たりに入射するエネルギ量）を一定にするために、たとえば制御装置１８が入射ビームのビームサイズを変化させない条件で、ｒ×ωの値を一定とする制御を行う。ここでｒは回転軸Ｌからビーム入射位置までの距離、ωはステージ１９ａの角速度である。

シリコンウエハ２０に入射するレーザビーム３０のフルエンスを一定にすることで均一性の高いアニールを実現することができる。

なお、シリコンウエハ２０に入射するレーザビーム３０のフルエンスが一定となるように、レーザビーム３０の入射位置（回転軸Ｌからビーム入射位置までの距離ｒ）に応じて、光学系１５を制御し、シリコンウエハ２０に入射するパルスレーザビーム３０のビームサイズを変化させてもよい。更に、ビームサイズと角速度ωの制御をともに行うこともできる。制御は制御装置１８によって行われる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

実施例においてはレーザアニール加工を取り上げたが、レーザビームを照射するのが好ましくない領域（レーザビームの照射禁止領域）が存在する様々なレーザ加工を実施することができる。

種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことも当業者に自明であろう。

レーザ加工一般、殊にレーザアニール加工に好適に利用することができる。また、ワークの外周部、隅部の加工にも好ましく利用可能である。

１０ レーザ光源
１１、１３、１４ 反射ミラー
１２ バリアブルアッテネータ
１５ 光学系
１６ シャッタ
１６ａ 反射ミラー
１６ｂ ダンパ
１７ フォトディテクタ
１８ 制御装置
１８ａ 記憶装置
１９ 加工ステージ
１９ａ ステージ
１９ｂ 駆動系
１９ｃ エンコーダ
１９ｄ エネルギメータ
２０ シリコンウエハ
２０ａ 照射対象領域
２０ｂ 照射可能領域
２０ｃ 補強テープ
３０ レーザビーム
４０ ワーク設置プレート

Claims (4)

1. レーザビームを出射する光源と、
   加工対象物を保持する保持面を備えるステージと、
   前記光源を出射したレーザビームを、前記ステージに伝搬可能な光学系であって、外部からの信号により伝搬、非伝搬の制御が行われる光学系と、
   前記光学系に信号を送信し、前記ステージへのレーザビームの伝搬、非伝搬の制御を行う制御装置と
   を有し、
   前記ステージに加工対象物を保持したとき、該ステージの保持面にレーザビームの照射が禁止される照射禁止領域、及びレーザビームの照射が許容される照射許容領域が画定され、
   前記制御装置は、前記照射禁止領域と前記照射許容領域との境界線の位置情報を記憶しており、前記ステージの位置と前記境界線の位置情報とに基づいて、前記照射禁止領域にレーザビームが照射されないように、前記ステージへのレーザビームの伝搬、非伝搬の制御を行うレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、更に、前記ステージに入射するレーザビームのビームサイズに基づいて、前記照射禁止領域にレーザビームが照射されないように、前記ステージへのレーザビームの伝搬、非伝搬の制御を行う請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記ステージは、保持面を回転軸の周囲に回転させる機能を備え、
   前記制御装置は、前記ステージに入射するレーザビームのフルエンスが一定となるように、前記回転軸と、前記ステージに入射するレーザビームの入射位置との間の距離に応じて、前記回転軸の周囲に回転する保持面の角速度を制御する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. （ａ）レーザビームの照射が禁止される照射禁止領域、及びレーザビームの照射が許容される照射許容領域が画定されたステージを移動させる工程と、
   （ｂ）レーザビームの経路上に前記照射禁止領域があるか否かを判定する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）で、ないと判定された場合には、前記ステージにレーザビームを入射させ、あると判定された場合には、前記ステージにレーザビームを入射させない工程と
   を有するレーザ加工方法。

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