JP6468041B2 - 不純物導入装置、不純物導入方法及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は不純物導入装置、不純物導入方法及び半導体素子の製造方法に関する。

パワー半導体としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、特に４Ｈのシリコンカーバイド（４Ｈ−ＳｉＣ）を用いた半導体素子が期待されている。４Ｈ−ＳｉＣの半導体素子は、通常、所望の濃度でエピタキシャル成長させた４Ｈ−ＳｉＣ結晶層が形成された半導体基板に、リン（Ｐ）やアルミニウム（Ａｌ）等の不純物元素のイオンをドーピングして製造される。具体的には、例えば、加速させた不純物元素のイオンを半導体基板に照射することで注入するとともに、その後、イオンが注入された半導体基板の結晶構造の回復及び不純物元素の活性化のために半導体基板を加熱する処理（アニール）が行われる。

ここで半導体基板が４Ｈ−ＳｉＣの場合、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面（（０００−１）面）に対して、例えば１０^１５／ｃｍ^２程度以上の高ドーズのイオン注入を行うにあっては、半導体基板を事前に３００〜８００度程度に昇温させる加熱する必要がある。事前の加熱処理が無い場合、４Ｈ−ＳｉＣの再結晶化及び不純物元素の活性化が有効に行われないからである。

またＳｉＣのイオン注入後のアニールは、１６００〜１８００度程度と、シリコン（Ｓｉ）の場合より高温で行われる。この高温アニールによって半導体素子の表面からＳｉが脱落することや、マイグレーションにより半導体素子の表面が荒れることが知られている。そこで、半導体素子の表面に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や炭素（Ｃ）等の保護膜を形成した上でアニールが行われるが、保護膜の形成及び除去のための処理工程が増加し、処理コストが増大するという問題がある。またＡｌやＣによる周辺の汚染という問題も懸念される。

上記した問題を解決する手段として、非特許文献１及び２に記載のレーザードーピングの技術が考えられる。非特許文献１及び２は、不純物元素を含む水溶液である溶液中に４Ｈ−ＳｉＣの半導体基板を浸漬し、半導体基板の表面と溶液との界面領域にレーザー光を照射することで、半導体基板に対し局所的な加熱を行い、溶液中の不純物元素をドーピングする。このレーザー光は、ＳｉＣにおいて吸収係数の大きい紫外域の波長の光である。非特許文献１及び２によれば、室温相当の低温環境下であっても不純物元素の注入と半導体基板の活性化とを同時に行うことが可能であり、半導体基板に対する事前の加熱処理及び不純物元素注入後のアニールを行う必要がないとされている。

池田晃裕 他３名、「液体中に浸漬した４Ｈ−ＳｉＣへのエキシマレーザ照射による燐ドーピング（Phosphorus doping of 4H SiC by liquid immersion excimer laser irradiation）」、アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters）、第１０２巻、ｐ０５２１０４−１〜０５２１０４−４、２０１３年１月 西紘史 他３名、「リン酸溶液中のエキシマレーザ照射による４Ｈ−ＳｉＣへの燐ドーピング（Phosphorus Doping into 4H-SiC by Irradiation of Excimer Laser in Phosphoric Solution）」ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS）、第５２巻、第６号、ｐ０６ＧＦ０２−１−４、２０１３年６月

しかし、レーザー光を繰り返し半導体基板の表面に照射すると、照射位置が局部的且つ瞬間的に高温で加熱されるため、液体成分又は溶液成分が膨張、或いは液体に溶解又は混入している気体が膨張して、溶液中で気泡が生じる場合がある。溶液を循環させて流動させることに伴い気泡は移動するが、移動した気泡が、後続のレーザー光の照射（ショット）の際に照射目標位置の内側に留まると、後続のレーザー光が気泡に衝突して均一に照射されず、不純物元素を所望の濃度及び深さでレーザードーピングできないという問題がある。

本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、先行のレーザー光のショットにより発生した気泡が後続のショットのレーザー光に干渉することを防止してレーザードーピングを行うことができる不純物導入装置、不純物導入方法及び半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る不純物導入装置のある態様は、不純物元素を含む液体が半導体基板の表面に接触するように内側に液体を蓄える蓄液装置と、液体を半導体基板の表面上で一定の流速で移動させる液体移動装置と、半導体基板の表面に液体を介して光パルスを一定寸法の照射領域でスキャン照射するレーザー光学系と、半導体基板の主面に平行な面内に定義されるＸ−Ｙ方向に蓄液装置を介して半導体基板を自在に移動させるＸ−Ｙ移動ステージと、液体移動装置及びＸ−Ｙ移動ステージを制御すると共に、照射領域の液体の液流方向に沿った特徴寸法と、照射領域の重ね合わせ率と、液体中に発生する気泡の半径とを考慮して液体の流速及び光パルスのスキャン速度を設定する演算制御装置と、を備え、設定された流速で液体を移動させると共に、設定されたスキャン速度で半導体基板を移動させ、半導体基板の内部の一部に不純物元素を導入することを要旨とする。

また本発明に係る不純物導入方法のある態様は、不純物元素を含む液体中に照射する光パルスの照射領域の液体の液流方向に沿った特徴寸法と、照射領域の重ね合わせ率と、液体中に発生する気泡の半径とを考慮して、液体の流速及び光パルスの半導体基板の表面上へのスキャン速度を設定し、液体を半導体基板の表面上に設定された流速で移動させると共に、光パルスを、液体を介して半導体基板に設定されたスキャン速度でスキャン照射して、半導体基板の内部の一部に不純物元素を導入することを要旨とする。

また本発明に係る半導体素子の製造方法のある態様は、不純物元素を含む液体中に照射する光パルスの照射領域の液体の液流方向に沿った特徴寸法と、照射領域の重ね合わせ率と、液体中に発生する気泡の半径とを考慮して、液体の流速及び光パルスの半導体基板の表面上へのスキャン速度を設定し、液体を半導体基板の表面上に設定された流速で移動させ、光パルスを、液体を介して半導体基板に設定されたスキャン速度でスキャン照射して、半導体基板の内部の一部に不純物元素を導入し、第１の半導体領域を形成することを要旨とする。

従って本発明に係る不純物導入装置及び不純物導入方法によれば、先行のレーザー光のショットにより発生した気泡が後続のショットのレーザー光に干渉することを防止してレーザードーピングを行うことができる。また本発明に係る半導体素子の製造方法によれば、先行のレーザー光のショットにより発生した気泡が後続のショットのレーザー光に干渉することを防止してレーザードーピングを行って、半導体領域を形成することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る不純物導入装置の構成の概略を模式的に説明する一部断面図を含むブロック図である。 演算制御装置の構成の概略を模式的に説明するブロック図である。 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明するフローチャートである。 図４（ａ）は光パルスを一方向及び逆方向に往復させてスキャン照射した場合の半導体基板の上面を模式的に示す上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の一部を拡大してスキャン方向と液流方向とがなす角度を説明する部分拡大図である。 図５（ａ）は光パルスを一方向にのみ進行させてスキャン照射した場合の半導体基板の上面を模式的に示す上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の一部を拡大してスキャン方向と液流方向とがなす角度を説明する部分拡大図である。 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の原理を模式的に説明する図である（θ＝０°）。 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の原理を模式的に説明する図である（θ＝１８０°）。 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法の原理を模式的に説明する図である（θ＝９０°）。 光パルスの繰り返し周波数と、気泡の移動速度との関係を示す特性図である。 図１０（ａ）は本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を用いて得られた半導体素子の上面の状態を示す画像の一部であり、図１０（ｂ）は比較例に係る不純物導入方法を用いて得られた半導体素子の上面の状態を示す画像の一部である。 先行のレーザー光のショットにより発生した気泡が、後続のショットのレーザー光に干渉する状態を模式的に説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る不純物導入装置の構成の概略を模式的に説明する一部断面図を含むブロック図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。

（不純物導入装置の構造）
本発明の第１の実施の形態に係る不純物導入装置１００は、図１に示すように、不純物元素を含む液体４が半導体基板２の表面に接触するように内側に液体４を蓄える蓄液装置をなす液槽５と、液槽５の外側に設けられ液体４を半導体基板２の表面上で一定の流速で移動させる液体移動装置４０と、を備える。液槽５は支持台３上に載置され支持されている。
また不純物導入装置１００は、半導体基板２の表面に液体４を介してレーザー光１２の光パルスを一定寸法の照射領域２ａ〜２ｄでスキャン照射するレーザー光学系２０と、半導体基板２の主面に平行な面内に定義されるＸ−Ｙ方向に液槽５を介して半導体基板２を自在に移動させるＸ−Ｙ移動ステージ８と、を備える。

また不純物導入装置１００は、液体移動装置４０及びＸ−Ｙ移動ステージ８を制御すると共に、照射領域２ａ〜２ｄの液体４の液流方向に沿った特徴寸法と、照射領域２ａ〜２ｄの重ね合わせ率と、液体４中に発生する気泡の半径とを考慮して液体４の流速及び光パルスのスキャン速度を設定する演算制御装置５１と、を備える。不純物導入装置１００は、室温下で、半導体基板２の主面である上面上に設定された流速で液体４を移動させる。

不純物導入装置１００は、液体４を介して液槽５の中に配置された半導体基板２の上面にレーザー光１２の光パルスをスキャン照射して、このレーザー光１２が照射された位置を昇温させて半導体基板２の内部の一部に不純物元素を導入する。尚、図１に示した不純物導入装置１００では、説明のため半導体基板２、液槽５及び供給ブロック１０はいずれも断面視で表現されている。

半導体基板２としてはＳｉＣ基板を用いる場合を例示的に説明し、具体的にはパワー半導体用として期待されている４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いる。半導体基板２には、４Ｈ−ＳｉＣの結晶層が所定の濃度のエピタキシャル成長層として形成されている。半導体基板２のレーザー光１２が照射される側の表面（図１に示す半導体基板２の場合は上面）には、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面（（０００−１）面）が配置されている。

液体４は、半導体基板２にドーピングさせる不純物元素の化合物を溶解させた溶液である。図１に示した不純物導入装置１００において、例えば不純物元素をリン（Ｐ）とした場合、液体４としては８５重量％濃度のリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）溶液が使用できる。尚、不純物元素はリンに限定されるものではなく、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）等他の元素が適宜用いられてよい。また液体４も、例えば、不純物元素がボロンであればホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）水、不純物元素がアルミニウムであれば塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）水溶液、不純物元素が窒素であればアンモニア（ＮＨ_３）水溶液等、種々の不純物元素の化合物の溶液を適宜使用することが可能である。また液体４は、不純物元素を含む液状体であれば溶液に限定されることなく、例えば溶媒を用いずに不純物元素そのものを液相で用いてもよい。

液槽５は、内側に液体４を蓄えると共に、底面上に半導体基板２を載置して支持する。半導体基板２の上面から液体４の液面までの高さは、レーザー光１２のショットにより液体４中の半導体基板２の上面位置から発生した気泡が、上面と後述する透過窓１３との間に挟まることがないように、気泡の直径より十分長く設定されている。一方、半導体基板２の上面から液面までの高さが高すぎると、上面に達するまでのレーザー光１２の減衰率が大きくなるので、高さは０．５ｍｍ程度以上、５ｍｍ程度以下、より好ましくは１ｍｍ程度以上、３ｍｍ程度以下の範囲で設定されている。

液槽５は、Ｘ−Ｙ移動ステージ８により支持台３が移動する場合であっても支持台３からずれることがないように、支持台３上の所定位置に固定されている。また液槽５の底面には、例えば不図示の基準マークが複数形成されている。基準マークは、半導体基板２に予め設定されたレーザー光１２の照射目標位置に対応する、液槽５側の照射目標位置として用いられる。

液槽５の内側には、図１に示すように、液面上で半導体基板２から離間して配置された供給ブロック１０が設けられている。供給ブロック１０は、レーザー光学系２０に対する相対位置が固定されるように、図示を省略した支持装置によって支持されている。供給ブロック１０は、符号の付記を省略する凹部が中央に貫通形成された略矩形状の本体枠１１と、凹部を覆うように本体枠１１の内側に水平に架け渡されて設けられた透過窓１３とを備える。

透過窓１３は、例えば石英等で構成され、レーザー光１２を透過する。透過窓１３の下面に液体４の液面が密着するので、液面の安定化が促進され、レーザー光１２の屈折や散乱が抑制される。凹部の軸はレーザー光１２の軸と平行であり、レーザー光１２は透過窓１３を貫通して半導体基板２の上面上を移動する液体４の液流方向に対して光軸が直交（８５°程度〜９５°程度）するように照射される。

供給ブロック１０は、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの長さが、半導体基板２のＸ方向及びＹ方向のそれぞれの長さよりいずれも長い。尚、図１中では説明のため、供給ブロック１０と液槽５との図中の左右方向の隙間は比較的短く示されているが、実際には半導体基板２の表面全面をスキャンできるように、液槽５の左右方向の長さが形成されている。
供給ブロック１０の本体枠１１の一辺側（図１中の左側）には液槽５に液体４を注入させる注入ノズル１４等の注入手段が、また他辺側（図１中の右側）には液槽５から液体４を排出させる排出ノズル１６等の排出手段がそれぞれ形成されている。また図示を省略するが注入ノズル１４と同様の構造をなす複数の注入ノズルが本体枠１１の注入ノズル１４と同じ側の辺に設けられていると共に、排出ノズル１６と同様の構造をなす複数の排出ノズルが本体枠１１の排出ノズル１６と同じ側の辺に設けられている。

液体４は、液槽５の外側から注入ノズル１４を介して内側に供給されると共に、排出ノズル１６を介して外側に吸引され、供給ブロック１０と液体移動装置４０との間で循環する。また液体４は、半導体基板２の上面で、注入ノズル１４と排出ノズル１６との間を、図１中の液体４の内部に示した矢印のように、注入ノズル１４側から排出ノズル１６側へ向かって移動する

液体移動装置４０は、液体４を蓄えるタンク４１と、このタンク４１に一端が接続され途中に流量調整バルブ４３を有する注入配管４４を備える。また液体移動装置４０は、タンク４１に一端が接続され途中に液体４を吸引するポンプ４２を有する排出配管４５を備える。注入配管４４の他端は供給ブロック１０の注入ノズル１４に、また排出配管４５の他端は排出ノズル１６に、それぞれ連結されている。流量調整バルブ４３及びポンプ４２はいずれも流速制御部に接続されている。

液体４が循環することにより、レーザー光１２の１ショットが終わる毎に、先行のショット時のレーザードーピングに用いられた古い液体４が、後続のショットの照射目標位置上から押し流されると共に、同じ位置に新しい液体４が配置される。すなわちスキャンの間、逐次的に移動する照射目標位置上に、液体４の存在する領域が、一定の不純物元素の濃度を保った状態で継続して形成される。

レーザー光学系２０は、図示を省略するが、レーザー光１２を照射するレーザー光源と、照射されたレーザー光１２を所定の形状に成形する可変スリットと、を備える。レーザー光１２の掃引に必要であれば、成形されたレーザー光１２を反射してレンズ等の集光装置に導く不図示の反射ミラーを備えるようにしてもよい。成形されたレーザー光１２は、半導体基板２の上面と液体４との界面領域に照射される。レーザー光学系２０は、光源制御部５３に接続されている。

成形されるレーザー光１２の形状は、連続するショットの照射領域を重ね合わせて照射パターンを形成する点で長方形（矩形）状が好適に用いられるが、矩形以外の例えば円形状や楕円形状であっても、重ね合わせ率が８割程度以上のように大きい場合、実用上十分に用いることができる。重ね合わせ率がゼロ（０）のとき、先行のショットの照射領域と後続のショットの照射領域とは全く重なり合うことなく、間隔がゼロで隣接する。また重ね合わせ率が１のとき、先行のショットの照射領域と後続のショットの照射領域とは互いの輪郭が重なり合う。また例えば重ね合わせ率が０．５であれば、先行のショットの照射領域と後続のショットの照射領域とは、照射領域が矩形状であれば図６に示すように、スキャン方向に沿った辺の長さの０．５（半分）が互いに重なり合うように照射される。

またレーザー光学系２０には、液槽５の基準マークを撮像するＣＣＤカメラ等の不図示の撮像装置、照明光を照射する不図示の照明光発光装置、照明光を反射及び透過させるミラー及びアライメント機構等が別途設けられるようにしてもよい。レーザー光学系２０は、半導体基板２の禁制帯幅よりも大きなエネルギーとなる波長のレーザー光１２を照射するように構成されることが好ましく、例えば、ＫｒＦ（＝２４８ｎｍ）レーザーやＡｒＦ（＝１９３ｎｍ）レーザー等の紫外線領域のレーザー光１２を照射するレーザー光源を用いることができる。紫外線領域の光エネルギーで励起させることにより、不純物元素を４Ｈ−ＳｉＣの格子間位置に移動させることを容易にすることができる。

Ｘ−Ｙ移動ステージ８は、支持台３を下方から水平に支持するとともに、移動ステージ駆動装置５５に接続され、液槽５を水平面内の方向（Ｘ−Ｙ方向）にそれぞれ自在に移動することによって、半導体基板２を自在に移動できるように構成されている。Ｘ−Ｙ方向の主移動は、例えばステッピングモータで駆動すればよいが、サブミクロンレベルの位置制御を伴う移動をするには磁気浮上により摩擦を失くせばよい。主移動に加えて摩擦力のない状態で磁気駆動による移動を付加すれば、ナノメータレベルでのＸ−Ｙ移動ステージ８の位置制御ができる。位置制御は、例えばレーザー干渉計の出力をフィードバックして行えばよい。移動ステージ駆動装置５５は、基板移動制御部５４に接続されている。

また支持台３はＸ−Ｙ方向に加え、更にＸ−Ｙ方向に垂直なＺ方向に移動可能に構成されることが好ましく、例えば、支持台３とＸ−Ｙ移動ステージ８との間に、支持台３をＺ方向に移動させるＺ移動ステージを設けて構成できる。支持台３をＸＹＺの３軸移動可能に構成して液槽５を移動させることにより、半導体基板２をレーザー光１２の照射目標位置に応じた所定の位置に自在に移動させてスキャンし、半導体基板２に所望の不純物元素を導入した領域のパターンを直接描画することができる。

演算制御装置５１は、図２に示すように、気泡移動距離算出回路５１１及び流速算出回路５１２を備える。また演算制御装置５１には流速制御部５２、光源制御部５３、基板移動制御部５４、入力装置６１及びデータ記憶装置６２がそれぞれ接続されている。気泡移動距離算出回路５１１は、気泡がレーザー光１２の光パルスの１ショットに１回のみ発生するという仮定のもとで、入力装置６１を介して入力された照射領域のスキャン方向に沿って測った長さである特徴寸法、重ね合わせ率、気泡の半径、スキャン方向と気泡の移動方向（液流方向）とがなす角度及び光パルスの繰り返し周波数を用いて、気泡が液体４に押し流されて移動する最小移動距離を算出する。また流速算出回路５１２は、最小移動距離、繰り返し周波数及びスキャン速度を用いて液体４の流速Ｖｆの最低速度を算出すると共に、算出した最低速度より大きい値で流速Ｖｆを設定する。

設定された流速Ｖｆは流速制御部５２に入力される。流速制御部５２は、入力された流速Ｖｆで液体４が半導体基板２上を移動するようにポンプ４２及び流量調整バルブ４３の動作を制御する。また照射領域の特徴寸法及び繰り返し周波数は光源制御部５３に入力される。光源制御部５３は、入力された照射領域の特徴寸法及び繰り返し周波数で光パルスのスキャン照射が行われるようにレーザー光学系２０の動作を制御する。

また重ね合わせ率及びスキャン速度は基板移動制御部５４に入力される。基板移動制御部５４は、入力された重ね合わせ率及びスキャン速度が実行されるように、Ｘ−Ｙ移動ステージ８の移動動作を制御する。また設定された流速Ｖｆのデータはデータ記憶装置６２に記憶される。また演算制御装置５１には、図示を省略する表示装置が接続されることで、算出された最小移動距離及び流速Ｖｆの最低速度が表示されるように構成されてもよい。

（不純物導入方法）
次に、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明する。まず、図１に示すように、半導体基板２を、上面を支持台３と反対側に向けて液槽５の底面上に載置し固定する。次に、半導体基板２上で不純物元素をドーピングさせる最初の照射目標位置に応じた基準マークの位置を、レーザー光１２の光軸に合致させるように、レーザー光学系２０をＸ方向及びＹ方向に所定量移動させる。
次に、液槽５の内側に液体４を供給して、液体４中に半導体基板２を浸漬させると共に液体４を循環させる。液体４が供給されることにより、液体４の存在する領域が半導体基板２の上面上に形成されると共に、液体４が一定の流速Ｖｆで半導体基板２の上面上を移動する。

次に、照射領域２ａ〜２ｄの特徴寸法をＬ、照射領域２ａ〜２ｄの重ね合わせ率をｃ、気泡の半径をｒ、スキャン方向と液体４の液流方向とがなす角度をθとして、それぞれの値を設定する（図３中のステップＳ１）。そして、先行の照射領域２ａと後続の照射領域２ｂとが形成される間に照射領域２ａから発生した最小移動距離を、演算制御装置５１の気泡移動距離算出回路５１１を用いて、式（１）により算出する（ステップＳ２）。
ｄ＞Ｌ｛１＋ｃｏｓθ（１−ｃ）｝＋ｒ …（１）

式（１）の右辺は最小移動距離を示し、右辺を展開すると、「Ｌ＋Ｌ・ｃｏｓθ（１−ｃ）＋ｒ」となる。展開後の右辺中の複数の項のうち、左から１番目の項「Ｌ」は「１・Ｌ」を意味し、最小移動距離のうちの、気泡が照射領域の移動方向の最も上流側の位置から発生すると仮定した場合に、気泡の中心が、照射領域の特徴寸法Ｌを１個分通過するための必要量として設定される項（照射領域長さ通過項）である。気泡が照射領域のうち移動方向の最も上流側の位置から発生すると仮定することにより、先行のレーザー光１２の照射により照射領域２ａのいずれの位置から発生した気泡であっても、確実に気泡の干渉を防止できる。

尚、気泡が照射領域２ａの全面から発生するのではなく、例えば照射領域２ａの略中央位置で照射領域２ａの中心と略同心位置で発生すると限定的に仮定して、式（１）の左から先行の項を、照射領域２ａの特徴寸法Ｌを半分通過するための必要量「（１／２）・Ｌ」と設定してもよい。このように式（１）中の照射領域長さ通過項の値を、気泡の発生位置に応じて変更すれば、最小移動距離をより小さくでき、レーザードーピングの目標とする作業の品質や効率に応じて、最小移動距離を柔軟に設定することが可能となる。

展開後の右辺中の左から２番目の項「Ｌ・ｃｏｓθ（１−ｃ）」の項のうち、Ｌ・（１−ｃ）の部分は、連続する先行の照射領域２ａと後続の照射領域２ｂとの間隔すなわちスキャンの移動距離を１回あたりの重ね合わせ率ｃで補正した量を示し、これにｃｏｓθが掛け合わされることで、スキャンの移動距離のうちスキャン方向に沿った実効距離成分が導かれる。「Ｌ・ｃｏｓθ（１−ｃ）」の項は、気泡の最小移動距離のうちの、スキャンの移動距離を通過するための必要量として設定される項（スキャン移動距離通過項）である。

角度θは、図４（ａ）の上面図に示すように半導体基板２の上面上でレーザー光１２を往復移動させるスキャン動作の場合、往路と復路とでそれぞれ異なる。図４（ｂ）中の上部の右側に位置する下向きの白抜き矢印は、往復スキャンの一方（例えば往路）の進行方向を示し、左側の上向きに位置する白抜き矢印は往復スキャンの他方（例えば復路）の進行方向を示す。

図４（ｂ）に示すように、図中の互いに平行な２本の破線のうち右側の破線に沿って配置された５個の照射領域２ａ〜２ｅが形成されるときと、左側の破線に沿って配置された２個の照射領域２ｆ，２ｇが形成されるときとでは、実線矢印で示す液体４の流動方向は同じであるが、角度θは互いに異なる。そのため、気泡の最小移動距離を算出するに際し角度θが考慮される。
尚、図５（ａ）の上面図に示すように半導体基板２の上面上で、半導体基板２の幅（図中の左右方向の長さ）よりも長い幅を有する細長い矩形状に成形されたレーザー光１２を、往復動作させずに一方向にのみ前進移動させてスキャンし、図５（ｂ）に示すように、複数の照射領域２ｈ〜２ｋをスキャン方向に沿って連続的に形成する場合もある。

展開した右辺の左から３番目の項「ｒ」は、気泡の最小移動距離のうちの、液体４の液流方向の最も上流側の端部が照射領域２ａを通過するための必要量として設定される項（端部通過項）である。端部通過項の値は、図６〜図８に示すように、気泡１ａの中心と端部との距離をなす気泡１ａの半径ｒとなる。気泡の半径ｒは、本発明者らの実験の結果に基づき、数μｍ〜５０μｍ程度以下の範囲で好適に設定される。

次に、連続するレーザー光１２の光パルスの繰り返し周波数を設定する（ステップＳ３）。繰り返し周波数をｆとすると、繰り返し周期Ｔは、Ｔ＝１／ｆとなる。そして演算制御装置５１の流速算出回路５１２を用いて、式（１）によって算出した最小移動距離と、予め設定したレーザー光１２の繰り返し周期Ｔと、スキャン速度Ｖｓと、スキャン方向と液体４の液流方向とがなす角度θとを式（２）に代入し、液体４の流速Ｖｆの最低速度を算出する（ステップＳ４）。
ｄ＝（Ｖｆ＋Ｖｓ・ｃｏｓθ）・Ｔ …（２）

式（２）の右辺の「Ｖｆ＋Ｖｓ・ｃｏｓθ」の部分は、気泡の移動速度Ｖｂであり（Ｖｂ＝Ｖｆ＋Ｖｓ・ｃｏｓθ）、移動速度Ｖｂが液体４の流速Ｖｆとスキャン速度Ｖｓとを組み合わせて考慮されることを示す。よって気泡の半導体基板２の角度θ方向に対する相対的な移動速度Ｖｂは、支持台３が移動する場合のスキャンであっても、レーザー光学系２０側が移動する場合のスキャンであっても、流速Ｖｆとスキャン速度Ｖｓが互いに独立に定義できるのであれば、式（１）及び式（２）に関して使用できる。

スキャン速度Ｖｓは半導体基板２の上面に対する照射領域の相対的な移動速度である。スキャン速度Ｖｓとしては、Ｘ−Ｙ移動ステージ８によって移動する支持台３の移動速度を示す場合と、よってレーザー光学系２０側が移動する場合のレーザー光学系２０の移動速度を示す場合とがある。また繰り返し周波数ｆ（＝１／Ｔ）は数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度とされる。尚、レーザー光１２ａ，１２ｂのパルス幅は数十ナノセカンド（ｎｓ）〜数マイクロセカンド（μｓ）程度であり、繰り返し周期Ｔの幅に対して非常に短い。

次に、式（２）で得られた液体４の流速Ｖｆの最低速度より大きい値で流速Ｖｆを設定する（ステップＳ５）。液体４の流速Ｖｆは、液槽５及び半導体基板２の移動・駆動系の座標を含む系の外側の原点を基準とする絶対速度として、スキャン速度を定義する座標系とは独立に定義される。液体４の流速Ｖｆが遅すぎると、後続のレーザー光１２と気泡との衝突が生じるだけでなく、次の照射目標位置の上方に所定の濃度の不純物元素の液体４の層を形成できなくなり、導入する不純物元素の濃度及び深さにバラつきが生じるおそれがある。
一方、流速Ｖｆが速すぎると液体移動装置４０から液体４を送り出す際に、いわゆるマイクロバブルと称される、レーザー光１２の照射で発生する気泡よりも遥かに微細な気泡が発生して液体４が白濁化し、レーザードーピングが適切に行えなくなる。そのため液体４の流速Ｖｆの上限値は、１ｍ／ｓ程度以下に設定される。

次に図６〜図８を参照して、上記した気泡の最小移動距離及び液流の流速Ｖｆの最低速度の算出を、角度θが、０°、１８０°、９０°の３パターンの場合に分けて具体的に説明する。
（ａ）θ＝０°の場合
図６中では、液体４の液流方向とスキャン方向とは同じであり、液体４は注入ノズル１４から排出ノズル１６（図６中の左側から右側）に向かって移動している。またスキャンは、先行の照射領域２ａと、後続の照射領域２ｂとが、０．５（５０％）程度の一定の重ね合わせ率ｃで重なり合うように行われる。

尚、スキャンの移動状態を説明するため、図６中には、実線囲みで示された先行の照射領域２ａの状態と、破線囲みで示された後続の照射領域２ｂの状態とがそれぞれ上下にずらして配置されている。また照射領域２ａの特徴寸法Ｌとして、液体４の液流方向に、照射領域２ａの一辺の長さが定義される。特徴寸法Ｌを定義する一辺は、先行の照射領域２ａや後続の照射領域２ｂの形状が長方形であれば、長方形の方位の採用に応じて長辺でも短辺でも構わない。

また図６中の上段には、照射領域２ａの特徴寸法Ｌに直交する辺（以下「直交辺」という。）のうち液体４の液流方向の上流側（注入ノズル１４側）に位置する図中左側の辺の略中央位置に中心が位置して、先行のショットにより半径ｒの気泡１ａが発生した状態が示されている。また図６中の下段には、照射領域２ａが排出ノズル１６側に、一定距離「Ｌ−ｃＬ＝Ｌ・（１−ｃ）」移動すると共に、先行のショットにより発生した気泡１ａが、移動方向の最も上流側（図６中の左側）の端部が後続の照射領域２ｂを乗り越えて干渉しない状態が示されている。

図６中の下段に示した状態では、気泡１ａの中心は、照射領域２ｂの液流方向の辺に直交する辺のうち液流方向の下流側に位置する図中右側の辺の略中央位置から、半径ｒの距離、排出ノズル１６側に離間して位置する。尚、図６に示した照射領域２ａの場合、液流方向に沿った辺が短辺とされると共に直交辺が長辺とされ、スキャン方向は短辺に沿っている。しかし液流方向に沿った辺を長辺、直交辺を短辺と逆にしてスキャンしてもよい。

よって気泡１ａが移動する最小移動距離は、式（１）の右辺において、θ＝０°におけるｃｏｓθ＝１を代入して、
ｄ＞Ｌ｛１＋ｃｏｓθ（１−ｃ）｝＋ｒ＝Ｌ｛１＋１・（１−ｃ）｝＋ｒ
＝Ｌ（２−ｃ）＋ｒ
となる。すなわち最小移動距離は、照射領域２ａ，２ｂの特徴寸法Ｌの２倍長から、この特徴寸法Ｌに重ね合わせ率ｃを乗じた長さｃＬを減じた長さと、気泡１ａの半径ｒとの和の距離「Ｌ（２−ｃ）＋ｒ」となる。

また式（２）においてｃｏｓθ＝１を代入すると、
ｄ＝（Ｖｆ＋Ｖｓ・ｃｏｓθ）・Ｔ
＝（Ｖｆ＋Ｖｓ・１）・Ｔ
＝（Ｖｆ＋Ｖｓ）・Ｔ
となり、気泡１ａの移動速度Ｖｂは、液体４の流速Ｖｆの絶対値とスキャン速度Ｖｓの絶対値との和（Ｖｂ＝Ｖｆ＋Ｖｓ）になることが示される。そして予め設定したスキャン速度Ｖｓ及び繰り返し周期Ｔの値を「ｄ＝（Ｖｆ＋Ｖｓ）・Ｔ」の式に代入して、液体４の液流方向とスキャン方向とが同じ場合における、液体４の流速Ｖｆの最低速度を算出する。

（ｂ）θ＝１８０°の場合
図７には、液体４の液流方向とスキャン方向とは逆向きであり、液体４は注入ノズル１４から排出ノズル１６（図７中の左側から右側）に向かって移動している。またスキャンは、先行の照射領域２ｆと、後続の照射領域２ｇとが、０．５（５０％）程度の一定の重ね合わせ率ｃで重なり合うように行われる。
尚、スキャンの移動状態を説明するため、図７中には、実線囲みで示された先行の照射領域２ｆの状態と、破線囲みで示された後続の照射領域２ｇの状態とがそれぞれ上下にずらして配置されている。また照射領域２ｆの特徴寸法Ｌとして液体４の流速Ｖｆの方向に沿って定義される。

また図７中の上段には、照射領域２ｆの特徴寸法Ｌの２個の直交辺のうち液体４の液流方向の上流側（注入ノズル１４側）に位置する図中左側の辺の略中央位置に中心が位置して、先行のショットにより半径ｒの気泡１ｆが発生した状態が示されている。また図７中の下段には、照射領域２ｆが注入ノズル１４側に、一定距離Ｌ−ｃＬ＝Ｌ・（１−ｃ）移動すると共に、先行のショットにより発生した気泡１ｆが、移動方向の最も上流側（図７中の左側）の端部が後続の照射領域２ｇを乗り越えて干渉しない状態が示されている。図７中の下段に示した状態では、気泡１ｆの中心は、照射領域２ｇの長辺のうち液体４の液流方向の下流側に位置する図中右側の長辺の略中央位置から、半径ｒの距離、排出ノズル１６側に離間して位置する。

よって気泡１ｆが移動する最小移動距離は、式（１）の右辺においてθ＝１８０°におけるｃｏｓθ＝−１を代入して、
ｄ＞Ｌ｛１＋ｃｏｓθ（１−ｃ）｝＋ｒ＝Ｌ｛１＋（−１）・（１−ｃ）｝＋ｒ
＝ｃＬ＋ｒ
となる。すなわち最小移動距離は、照射領域２ｆ，２ｇの特徴寸法Ｌに重ね合わせ率ｃを乗じた長さｃＬと気泡１ｆの半径ｒとの和の距離「ｃＬ＋ｒ」となる。

また式（２）においてｃｏｓθ＝−１を代入して、
ｄ＝（Ｖｆ＋Ｖｓ・ｃｏｓθ）・Ｔ
＝｛Ｖｆ＋Ｖｓ・（−１）｝・Ｔ
＝（Ｖｆ−Ｖｓ）・Ｔ
となり、気泡１ｆの移動速度Ｖｂは、液体４の流速Ｖｆの絶対値とスキャン速度Ｖｓの絶対値との差（Ｖｂ＝Ｖｆ−Ｖｓ）になることが示される。そして予め設定したスキャン速度Ｖｓ及び繰り返し周期Ｔの値を「ｄ＝（Ｖｆ−Ｖｓ）・Ｔ」の式に代入して、気泡１ｆの移動方向とスキャン方向とが逆向きの場合における、液体４の流速Ｖｆの最低速度を算出する。

（ｃ）θ＝９０°の場合
図８には、液体４の液流方向とスキャン方向とが直交し、液体４は注入ノズル１４から排出ノズル１６（図８中の左側から右側）に向かって移動している。またスキャンは、先行の照射領域２ｈと、後続の照射領域２ｉとが、０．５（５０％）程度の一定の重ね合わせ率ｃで重なり合うように行われる。
尚、スキャンの移動状態を説明するため、図８中には、実線囲みで示された先行の照射領域２ｈの状態と、破線囲みで示された後続の照射領域２ｉの状態とがそれぞれ左右にずらして配置されている。また照射領域２ｈの特徴寸法Ｌが液体４の流速Ｖｆの方向に定義されると共に、照射領域２ｈの一定の長さＭを有する直交辺が気泡１ｈの移動方向に直交するように配置されている。図８に示したスキャン動作の場合、直交辺に沿ってスキャンが進行するので、先行の照射領域２ｈと後続の照射領域２ｉとは、一定の重ね合わせ率ｃに応じて、直交辺同士を重ね合わせて形成される。

また図８中の左側には、照射領域２ｈの２本の直交辺のうち液体４の液流方向の上流側（注入ノズル１４側）に位置する図中左側の辺の略中央位置に中心が位置して、先行のショットにより半径ｒの気泡１ｈが発生した状態が示されている。また図８中の右側には、照射領域２ｈが、気泡１ｈの移動方向に直交して下方に、一定距離「Ｍ−ｃＭ＝Ｍ・（１−ｃ）」移動すると共に、先行のショットにより発生した気泡１ｈが、移動方向の最も上流側（図８中の左側）の端部が後続の照射領域２ｉを乗り越えて干渉しない状態が示されている。図８中の右側に示した状態では、気泡１ｈの中心は、照射領域２ｉの２本の直交辺のうち液体４の液流方向の下流側に位置する辺の上端の角部から、半径ｒの距離、排出ノズル１６側に離間して位置する。

このときスキャン方向と気泡１ｈの移動方向とは互いに直交するので、先行の照射領域２ｈと後続の照射領域２ｉとの間のスキャンの移動距離「Ｍ・（１−ｃ）」は、気泡１ｈの最小移動距離には含まれない。すなわち最小移動距離は角度θに依存しない。気泡１ｈが移動する最小移動距離は、照射領域２ｈ，２ｉの特徴寸法Ｌと気泡１ｈの半径ｒとの和の距離「Ｌ＋ｒ」となる。

このことは式（１）の右辺においてθ＝９０°におけるｃｏｓθ＝０を代入すると、
ｄ＞Ｌ｛１＋ｃｏｓθ（１−ｃ）｝＋ｒ＝Ｌ｛１＋０・（１−ｃ）｝＋ｒ
＝Ｌ＋ｒ
となることによっても表される。すなわち気泡１ｈの移動方向とスキャン方向とが直交する場合も、気泡１ｈが移動する最小移動距離は、θ＝０°又はθ＝１８０°の場合と同様に、式（１）で表すことが可能となる。

また式（２）においてｃｏｓθ＝０を代入して、
ｄ＝（Ｖｆ＋Ｖｓ・ｃｏｓθ）・Ｔ
＝｛Ｖｆ＋Ｖｓ・０｝・Ｔ
＝Ｖｆ・Ｔ
となる。すなわち気泡１ｈの移動速度Ｖｂは、スキャン速度Ｖｓの大きさにかかわらず、液体４の流速Ｖｆと等しくなる（Ｖｂ＝Ｖｆ）。そして予め設定した繰り返し周期Ｔの値を「ｄ＝Ｖｆ・Ｔ」の式に代入して、気泡１ｈの移動方向とスキャン方向とが直交する場合における、液体４の流速Ｖｆの最低速度を算出する。

図９は、スキャン速度Ｖｓを一定とした上でθ＝０°、１８０°、９０°の３パターンのスキャン動作を行ったときの、それぞれの場合における光パルスの繰り返し周波数ｆと、気泡が後続の照射領域２ｂの内側に位置しないときの移動速度Ｖｂの下限値との関係を示す。３パターンいずれの場合も、照射領域の特徴寸法Ｌは１５０μｍ程度、重ね合わせ率ｃは０．５（５０％）、気泡１ａ，１ｆ，１ｈの半径ｒは１５μｍ程度とした。図９中の３本の直線の軌跡のそれぞれの傾きが、気泡１ａ，１ｆ，１ｈの最小移動距離の大きさを示すと共に、気泡１ａ，１ｆ，１ｈの下限値Ｖｂｓ，Ｖｂｒ，Ｖｂｖが、繰り返し周波数ｆに依存することが示されている。

図９中の正方形をデータ点とするプロットが描く軌跡で示すように、液体４の液流方向とスキャン方向とが同じ向きとなる場合（θ＝０°）には、他の場合（θ＝９０°、１８０°）よりも、気泡１ａの下限値Ｖｂｓが最も大きくなった。θ＝０°の場合、レーザー光１２の照射領域と、気泡１ａが相対的に同方向に移動し、気泡１ａの照射領域に対する相対的な移動距離が短くなる。すなわち気泡１ａが移動して先行の照射領域２ａ中の発生位置から移動しても、後続の照射領域２ｂが気泡１ａを追いかけてくる。そのため気泡１ａは、連続する２つの照射領域２ａ，２ｂが占有する領域から移動し難い状態となるため、この占有領域から気泡１ａを押し出すための液体４の流速Ｖｆは大きくなる。

また図９中の菱形をデータ点とするプロットが描く軌跡で示すように、気泡１ｆの移動方向とスキャン方向とが逆向きとなる場合（θ＝１８０°）には、他の場合（θ＝０°、９０°）よりも、気泡１ｆの下限値Ｖｂｒが最も小さくなった。θ＝１８０°の場合、レーザー光１２の照射領域と、液体４すなわち気泡１ｆが相対的に逆方向に移動し、気泡１ｆは移動し易い状態となるため、気泡１ｆを押し出すための液体４の流速Ｖｆを最小化することができる。また繰り返し周波数ｆを上限内で最大化すなわち繰り返し周期Ｔを最短化しても、気泡１ｆの最小移動距離を、他の場合（θ＝０°、９０°）より短くすることが可能となるので、後続の照射目標位置の内側に気泡１ｆが入り難くなる。

よって、図５（ｂ）に示したような一方向のスキャンを行うときには、液体４の液流方向とスキャン方向とを逆向きとすることにより、レーザー光１２が気泡１ｆに衝突することを防止すると共に、液体４の流速Ｖｆを最小化、或いは繰り返し周波数ｆを最大化して設定することができる。
一方、図４（ｂ）に示したような往復動作のスキャンを行うときに、液体４の液流方向とスキャン方向とを平行（θ＝０°、１８０°）にすると、レーザー光１２が気泡１ａ，１ｆに衝突することを防止するためには、気泡の移動速度Ｖｂを、θ＝０°の場合の気泡の下限値Ｖｂｓより大きくする必要がある。

ここで図９中の三角形をデータ点とするプロットが描く軌跡で示すように、θ＝９０°の場合の液体４の流速Ｖｆの下限値Ｖｂｖは、θ＝１８０°の場合の気泡１ｆの下限値Ｖｂｒよりは小さいものの、θ＝０°の場合の気泡１ａの下限値Ｖｂｓよりも大きい。よって、往復動作のスキャンを行うときには、液体４の液流方向とスキャン方向とを直交させることにより、レーザー光１２が気泡１ｈに衝突することを防止すると共に、液体４の流速Ｖｆを最小化、或いは繰り返し周波数ｆを最大化して設定することができる。

次に、設定された液体４の流速Ｖｆで、液体４を半導体基板２の上面上で移動させる（図３中のステップＳ６）。そして例えば、図１中の右向き矢印のように、支持台３をＸ方向の一方向に移動させることで、照射目標位置を支持台３の移動方向と反対方向に相対的に移動させると共に、設定された繰り返し周波数ｆで液体４を介してレーザー光１２の光パルスを掃引して照射する（ステップＳ７）。これにより、半導体基板２の上面上に複数の照射領域２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが、Ｘ−Ｙ移動ステージ８の移動方向と反対側の方向に逐次的に形成される。

すなわち半導体基板２を移動させる場合は、図１中のスキャンの進行方向（右側から左側）と液体４の液流方向（左側から右側）とは、互いに逆向きである。尚、レーザー光１２の光パルスのスキャン動作は、半導体基板２を固定して、レーザー光学系２０側の処理によってレーザー光１２のビームそのものを半導体基板２の上面上で走査して移動するようにしてもよい。これにより、半導体基板２の上面の内部の一部に不純物元素を導入して、半導体基板２の内部の一部に不純物元素が添加されたパターンを直接描画し、不純物元素のドーピング面を形成する。

（半導体素子の製造方法）
本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を用いて半導体素子を製造することができる。例えば、まず第１導電型又は第２導電型の半導体基板２の上面の一部に、不純物元素を含む液体４を移動させる。ここで第１導電型はｐ型又はｎ型であり、第２導電型は第１導電型の反対の導電型である。

次に、液体４を介して半導体基板２の上面にレーザー光１２をスキャンして照射し、半導体基板２の上部に、第１導電型（ｐ型又はｎ型）の第１の半導体領域を形成する。このとき、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を用いて、レーザードーピング時に移動させる液体４の流速Ｖｆ及び繰り返し周期Ｔを設定して、半導体基板２の上面に不純物元素を導入する。更に、第１の半導体領域が形成されていない半導体基板２の上面にオーミックコンタクト電極層を接合すれば、半導体素子を製造することができる。また導入する不純物元素の種類や、それぞれの濃度、形成する照射パターンを適宜変化させて組み合わせることで、各種の半導体素子を製造することが可能である。

図１０（ａ）は、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を用いて製造した半導体素子の上面の状態を、光学顕微鏡で撮影して得られた画像を示す。本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法では、図１０（ａ）中の実線矢印で示すように、半導体基板２の上面上で、図中の上から下に向かって液体４を移動させると共に、スキャン方向も液体４の液流方向と同じ（θ＝０°）とするレーザードーピングを行い、第１の半導体領域２１を形成した。

その際、照射領域の特徴寸法Ｌ、重ね合わせ率ｃ及び気泡の半径ｒの値を予め設定して、θ＝０°と共に式（１）に代入し、レーザー光１２が気泡へ衝突しないように、気泡の移動する最小移動距離を算出した。そして算出した最小移動距離を、予め設定したスキャン速度Ｖｓ、繰り返し周期Ｔ及びθ＝０°と共に式（２）に代入して、レーザードーピングを行う際の液体４の流速Ｖｆの最低速度を算出した。そして算出した流速Ｖｆの最低速度より大きい値で流速Ｖｆを設定し、設定した流速Ｖｆで液体４を移動させ、レーザードーピングを行った。本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法では、先行の照射領域から生じた気泡が、後続の照射領域を形成するためのレーザー光１２のショットに干渉することがなく、所望の濃度及び深さで不純物元素を導入した第１の半導体領域２１を形成することができた。

（比較例）
一方、図１０（ｂ）に、比較例に係る不純物導入方法を用いて製造した半導体素子の上面の状態を示す。比較例に係る半導体素子の製造では、スキャン方向と液体４の液流方向とが同じ向き（θ＝０°）のスキャン動作を行った。比較例では、式（１）及び式（２）を用いて設定された液体４の流速Ｖｆの最低速度以下の値で流速Ｖｆを設定すると共に、設定した流速Ｖｆで、図１０（ａ）の場合と同様に図中の上から下に向かって液体４を移動させてレーザードーピングを行い、第１の半導体領域２１を形成した。

このとき、図１１に示すように、先行の照射領域２ａから生じた気泡１ａが、液体４中で浮上しつつ、図１１中の実線矢印で示すように、液体４の移動に伴い押し流されて液流方向（図１１中の左側から右側）に移動した。このとき、気泡１ａが後続の照射領域２ｂを形成するレーザー光１２ｂの照射位置の内側に入った。後続のレーザー光１２ｂの後に繰り返し照射されたレーザー光の照射の際にも、それぞれ一つ直前の照射領域から発生した気泡が対応する照射位置の内側に入り、半導体基板２の上面上には、図１０（ｂ）に示すように、気泡１ａがレーザー光１２ｂに干渉した痕跡である複数の円弧状の模様２１ａ〜２１ｇが連続して形成された。そのため、比較例に係る半導体素子の製造方法では、所望の濃度及び深さで不純物元素を導入した第１の半導体領域２１を形成することができなかった。

本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、レーザー光１２ａ，１２ｂの照射領域２ａ，２ｂの特徴寸法Ｌ、照射領域２ａ，２ｂの重ね合わせ率ｃ及び照射領域２ａから発生した気泡１ａの半径ｒ及びスキャン方向と気泡１ａの移動方向とがなす角度θ、レーザー光１２ａ，１２ｂの繰り返し周期Ｔを用いて、気泡１ａが後続のレーザー光１２ｂに干渉しないように、気泡１ａが移動する最小移動距離を算出する。そして算出された最小移動距離と、繰り返し周期Ｔとスキャン速度Ｖｓと角度θとに応じて、液体４の流速Ｖｆの最低速度を算出し、算出された流速Ｖｆの最低速度より大きな流速Ｖｆを設定し、設定した流速Ｖｆで液体４を半導体基板２の表面上で移動させて半導体基板２の内部の一部に不純物元素を導入するレーザードーピングを行う。よって先行のレーザー光１２ａのショットにより発生した気泡１ａが、後続のショットを行うレーザー光１２ｂに干渉することを防止できる。

また本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、後続のレーザー光１２ｂが気泡１ａへ衝突しないように液体４の流速Ｖｆを設定して、レーザードーピングを行うので、不純物元素を含む液体４の流動方向が、スキャン方向と同方向、逆方向、直交方向のように異なるパターンであっても、気泡１ａの後続のレーザー光１２ｂへの干渉を抑え、所望のレーザードーピングを行うことが可能となる。よって液体４の液流方向を切り替える装置や切り替える作業が不要となり、不純物導入装置１００を簡易に構成できる。

また半導体基板２を液体４に浸漬させて行うレーザードーピングでは、液体移動装置４０から、比較的微量の液体４を注入しつつ半導体基板２の上面上で循環させながら行うため、移動する液体４の流速Ｖｆを処理中に大きく変化させるように制御する作業は、精密に行うことが非常に困難である。そのため液体４の流速Ｖｆは、処理中は略一定に固定されるか、或いは変動させても大きく変動させることは少ない。本発明の実施の形態に係る不純物導入方法では、スキャン方向が、液体４の液流方向と逆向きから同じ向きに切り替わっても、切り替えに応じて液体４の流速Ｖｆを早めるように制御する必要がなく、往復移動するスキャン動作であっても、液体４を一定の流速Ｖｆとし、容易にレーザードーピングを行うことができる。

また気泡１ａと後続のレーザー光１２ｂとの干渉を回避するために、例えばレーザー光１２ａ，１２ｂを液体４の液流方向に対して斜め上方から照射する必要がなく、図１に示したように、液体４の液流方向に対して略直交する方向から照射可能となる。よってレーザー光１２ａ，１２ｂが半導体基板２の上面に到達するまでの間、不必要に減衰することがないと共に、半導体基板２に対してレーザー光１２ａ，１２ｂが斜めに照射されるように、レーザー光学系２０の配置を調整する手間がかからず、不純物導入装置１００を簡易に構成できると共に、レーザードーピングを容易に行える。

本発明は上記のとおり開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。

（第２の実施の形態）
例えば、本発明に係る不純物導入方法は、図１２に示すような不純物導入装置１０１で行われてもよい。本発明の第１の実施の形態に係る不純物導入装置１００では、支持台３上に蓄液装置（液槽５）を載置して、この液槽５の内側に蓄積された液体４の中に半導体基板２を浸漬して配置し、この半導体基板２から離間して配置された供給ブロック１０を用いて半導体基板２の上面上で液体４を移動させてレーザードーピングを行った。

本発明の第２の実施の形態に係る不純物導入装置１０１の場合、支持台３上に半導体基板２を直接載置し、不純物元素を含む液体４が半導体基板２の表面に接触するように内側に液体４を蓄える蓄液装置をなす壁ブロック３０を半導体基板２の上面上に配置する。壁ブロック３０により半導体基板２の上面上で液体４を局在させ、内側で液体４を移動させる。半導体基板２全体を液体４中に浸漬させることなく、半導体基板２の上面上に局所的に液体４の層を形成してレーザードーピングを行う点が、図１に示した不純物導入装置１００と異なる。

壁ブロック３０は、符号の付記を省略する凹部が中央に貫通形成された略矩形状の本体枠３１と、凹部を覆うように本体枠３１の内側に水平に架け渡されて設けられた透過窓３３とを備える。壁ブロック３０の本体枠３１は、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの長さが、半導体基板２のＸ方向及びＹ方向のそれぞれの長さよりいずれも短い。凹部の軸はレーザー光１２の軸と平行であり、レーザー光１２は凹部を貫通して半導体基板２の上面上を移動する液体４の液流方向に対して直交（８５°程度〜９５°程度）するように照射される。

壁ブロック３０の本体枠３１には、凹部の内側に液体４を注入させる注入孔３４と、凹部から液体４を排出させる排出孔３６とが形成されている。図示を省略するが注入孔３４と同様の構造をなす複数の注入孔が、本体枠３１の注入孔３４と同じ側に設けられている。また同様に図示を省略するが排出孔３６と同様の構造をなす複数の排出孔が、本体枠１１の排出孔３６と同じ側に設けられている。すなわち液体４は、壁ブロック３０の注入孔３４側の一辺から、排出孔３６側の他辺に向かって移動する。壁ブロック３０は、液槽５の外側から供給される液体４を半導体基板２の上面の照射予定位置を挟んで移動させて、半導体基板２の上面上に液体４の層を形成し、不純物元素を半導体基板に接触させる。

壁ブロック３０の凹部には、図１に示した不純物導入装置１００と同様に、透過窓３３が設けられ、透過窓３３を介して液体４の液流方向に直交するように半導体基板２の上方からレーザー光１２が照射される。また壁ブロック３０と半導体基板２の上面との間隔は、内側に囲い込んだ液体４が表面張力によって外側へ流出しない長さに設定されている。間隔は、例えば８５重量％濃度のリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）溶液を液体４として用いる場合、２００μｍ以下で設定されることが好ましい。尚、第２の実施の形態に係る不純物導入装置１０１を構成するレーザー光学系２０、液体移動装置４０、演算制御装置５１等の機能は、図１に示した第１の実施の形態に係る不純物導入装置１００中で同じ符号を付記した装置等と同様であるため、繰り返しの説明を省略する。

次に、図１２に示した不純物導入装置１０１を用いた第２の実施の形態に係る不純物導入方法を説明する。まず、図１２に示すように、半導体基板２を、上面を支持台３と反対側に向けて支持台３の上面上に載置し固定する。次に、半導体基板２上で不純物元素をドーピングさせる照射目標位置に応じた基準マークの位置を、レーザー光１２の光軸に合致させるように、レーザー光学系２０をＸ方向及びＹ方向に所定量移動させる。

次に、壁ブロック３０の凹部の内側に液体４を供給して、半導体基板２の上面上に液体４の存在する領域を形成すると共に、液体４を一定の流速Ｖｆで注入孔３４側から排出孔３６側へ移動させ、壁ブロック３０の内側と外側とで液体移動装置４０を介して循環させる。次に、半導体基板２上の照射目標位置に対してレーザー光１２の光パルスを一定の繰り返し周波数ｆで掃引してスキャン照射し、照射位置の下側に不純物元素がドーピングされた照射領域を形成する。

図１２中には、右向きの白抜き矢印で示すようにＸ−Ｙ移動ステージ８が図中の左側から右側に移動しながらレーザー光１２の光パルスをスキャン照射することにより、レーザー光１２をＸ−Ｙ移動ステージ８の移動方向と反対側の方向にスキャンさせ、半導体基板２の上面上に４個の照射領域２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが、逐次的に形成された状態が例示されている。このとき、先行のレーザー光１２ａのショットにより気泡１ａが発生しても、気泡１ａの移動距離ｄは、連続する２つのショット間における最大移動範囲を超えるので、気泡１ａは後続のショットに干渉しない。よって不純物元素を所望の濃度及び深さとするレーザードーピングを行うことができる。また第２の実施の形態に係る不純物導入方法を用いて、第１の実施の形態に係る不純物導入方法と同様に、半導体素子の製造方法を構成することができる。

（その他の実施の形態）
上記した第１及び第２の実施の形態に係る不純物導入方法では、スキャン速度Ｖｓ、照射領域の特徴寸法Ｌ、重ね合わせ率ｃ、気泡の半径ｒの値を予め設定した上で、式（１）及び式（２）を用いて角度θに応じて、最小移動距離を算出し、算出した最小移動距離に応じて、レーザードーピング時に移動させる液体４の流速Ｖｆを設定した。しかし式（１）及び式（２）は、スキャン速度Ｖｓ、特徴寸法Ｌ、重ね合わせ率ｃ及び気泡の半径ｒの値を、レーザードーピングに適した値となるようにそれぞれ変化させて設定する際にも用いることが可能である。

以上のとおり本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ａ，１ｆ，１ｈ 気泡
２ 半導体基板
２ａ〜２ｋ 照射領域
３ 支持台
４ 液体
５ 液槽（蓄液装置）
８ Ｘ−Ｙ移動ステージ
１０ 供給ブロック
１２ レーザー光
１４ 注入ノズル
１６ 排出ノズル
２０ レーザー光学系
２１ 第１の半導体領域
４０ 液体移動装置
５１ 演算制御装置
５２ 流速制御部
５３ 光源制御部
５４ 基板移動制御部
５５ 移動ステージ駆動装置
１００ 不純物導入装置
５１１ 気泡移動距離算出回路
５１２ 流速算出回路
ｃ 重ね合わせ率
ｄ 気泡の移動距離
ｆ 繰り返し周波数
ｒ 気泡の半径
θ スキャン方向と液流方向とがなす角度
Ｌ 照射領域の特徴寸法
Ｖｆ 液体の流速
Ｖｓ スキャン速度

Claims (13)

1. 不純物元素を含む液体が半導体基板の表面に接触するように内側に前記液体を蓄える蓄液装置と、
   前記液体を前記半導体基板の表面上で一定の流速で移動させる液体移動装置と、
   前記半導体基板の表面に前記液体を介して光パルスを一定寸法の照射領域でスキャン照射するレーザー光学系と、
   前記半導体基板の主面に平行な面内に定義されるＸ−Ｙ方向に前記蓄液装置を介して前記半導体基板を自在に移動させるＸ−Ｙ移動ステージと、
   前記液体移動装置及び前記Ｘ−Ｙ移動ステージを制御すると共に、前記照射領域の前記液体の液流方向に沿った特徴寸法と、前記照射領域の重ね合わせ率と、前記液体中に発生する気泡の半径とを考慮して前記液体の流速及び前記光パルスのスキャン速度を設定する演算制御装置と、
   を備え、
   前記設定された流速で前記液体を移動させると共に、前記設定されたスキャン速度で前記半導体基板を移動させ、前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素を導入し、
   前記演算制御装置は、
   前記液体中にスキャン照射される連続した２つの前記光パルスのショットのうち先行のショットにより発生した前記気泡が、前記２つの光パルスの繰り返し周期の間に、前記液体の液流方向に沿って移動する最小移動距離を、前記特徴寸法と、前記重ね合わせ率と、前記気泡の半径と、前記スキャンの方向と前記液流方向とがなす角度とから算出する気泡移動距離算出回路と、
   前記気泡が前記最小移動距離を移動するための前記液体の流速の最低速度を算出し、該算出された最低速度より大きい値で前記液体の流速を設定する流速算出回路と、
   を有することを特徴とする不純物導入装置。
2. 前記流速算出回路は、前記液体の流速と前記スキャン速度とを組み合わせた前記気泡の移動速度から前記液体の流速を算出することを特徴とする請求項１に記載の不純物導入装置。
3. 前記気泡移動距離算出回路は、前記最小移動距離に前記気泡の半径を含んで、前記最小移動距離を算出することを特徴とする請求項２に記載の不純物導入装置。
4. 不純物元素を含む液体中に照射する光パルスの照射領域の前記液体の液流方向に沿った特徴寸法と、前記照射領域の重ね合わせ率と、前記液体中に発生する気泡の半径とを考慮して、前記液体の流速及び前記光パルスの半導体基板の表面上へのスキャン速度を設定し、
   前記液体を前記半導体基板の表面上に前記設定された流速で移動させると共に、前記光パルスを、前記液体を介して前記半導体基板に前記設定されたスキャン速度でスキャン照射して、前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素を導入し、
   前記液体の流速を設定する処理は、
   前記スキャン照射される連続した２つの前記光パルスのショットのうち先行のショットにより発生した前記気泡が、前記２つの光パルスの繰り返し周期の間に、前記液体の液流方向に沿って移動する最小移動距離を、前記特徴寸法と、前記重ね合わせ率と、前記気泡の半径と、前記スキャンの方向と前記液流方向とがなす角度とから算出する工程と、
   前記気泡が前記最小移動距離を移動するための前記液体の流速の最低速度を算出し、該算出された最低速度より大きい値で前記液体の流速を設定する工程と、
   を含むことを特徴とする不純物導入方法。
5. 前記液体の流速の最低速度を算出する処理は、前記液体の流速と前記スキャン速度とを組み合わせた前記気泡の移動速度を用いて行うことを特徴とする請求項４に記載の不純物導入方法。
6. 前記最小移動距離を算出する処理は、前記最小移動距離に前記気泡の半径を含んで行うことを特徴とする請求項５に記載の不純物導入方法。
7. 前記照射領域は矩形状であり、前記スキャン方向は、前記照射領域の矩形の短辺に沿った方向であることを特徴とする請求項６に記載の不純物導入方法。
8. 前記スキャンが往復動作である場合、前記液体の液流方向を前記スキャン方向に直交させて前記光パルスをスキャン照射することを特徴とする請求項７に記載の不純物導入方法。
9. 不純物元素を含む液体中に照射する光パルスの照射領域の前記液体の液流方向に沿った特徴寸法と、前記照射領域の重ね合わせ率と、前記液体中に発生する気泡の半径とを考慮して、前記液体の流速及び前記光パルスの半導体基板の表面上へのスキャン速度を設定し、
   前記液体を前記半導体基板の表面上に前記設定された流速で移動させ、前記光パルスを、前記液体を介して前記半導体基板に前記設定されたスキャン速度でスキャン照射して、前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素を導入し、第１の半導体領域を形成し、
   前記液体の流速を設定する処理は、
   前記スキャン照射される連続した２つの前記光パルスのショットのうち先行のショットにより発生した前記気泡が、前記２つの光パルスの繰り返し周期の間に、前記液体の液流方向に沿って移動する最小移動距離を、前記特徴寸法と、前記重ね合わせ率と、前記気泡の半径と、前記スキャンの方向と前記液流方向とがなす角度とから算出する工程と、
   前記気泡が前記最小移動距離を移動するための前記液体の流速の最低速度を算出し、該算出された最低速度より大きい値で前記液体の流速を設定する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
10. 前記液体の流速の最低速度を算出する処理は、前記液体の流速と前記スキャン速度とを組み合わせた前記気泡の移動速度を用いて行うことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の製造方法。
11. 前記最小移動距離を算出する処理は、前記最小移動距離に前記気泡の半径を含んで行うことを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の製造方法。
12. 前記照射領域は矩形状であり、前記スキャン方向は、前記照射領域の矩形の短辺に沿った方向であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。
13. 前記スキャンが往復動作である場合、前記液体の液流方向を前記スキャン方向に直交させて前記光パルスをスキャン照射することを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子の製造方法。