CN101855709B - 通过光通量加热晶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用至少一个光流脉冲加热包括至少一个待加热层(2)以及子层(4)的板(1)的方法，其中所述方法包括以下步骤：选择光流(7)和待加热层(2)，使得只要待加热层的温度处于低温范围(PBT)内，则待加热层(2)对流的吸收系数保持是低的，并且当待加热层的温度进入到高温范围(PHT)内时，吸收系数显著增加；选择子层(4)，使得在所述低温范围(PBT)内所选波长的所述光流的吸收系数是高的，并且当所述子层受到所述光流作用时，温度进入到高温范围(PHT)；以及向所述板(1)施加所述光流(7)。

Description

通过光通量加热晶片的方法
本发明涉及材料处理的一般技术领域，特别是薄层、嵌片、片状或条状材料(主要是半导体，特别是硅)的领域。
更具体而言，本发明涉及通过光通量对部件进行热处理的应用领域。
根据现有技术，存在利用光通量进行热处理的知识和方法，其中光通量被部件的外表面和/或外表面的附近吸收，通过从接收光通量的外表面和/或其附近部分到待处理部件的更深区域的热扩散进行较深部分的加热。
现有技术方法的特征在于所用光通量被选择为待处理材料对该光通量是自然吸收的，或者通过该光通量与部件材料的直接相互作用，例如采用极高的功率水平，使待处理材料成为吸收性的。
当希望将表面层加热几分之一微秒至几十微秒左右的非常短的时间时，使用光通量被证明是特别有利的。
不过，由于加热的厚度通常根据到部件外表面的时间的平方根变化，因此对部件的深处进行加热是极为困难和昂贵的，并且随着深度的增加越来越困难和昂贵。
此外，由于在部件中得到的热剖面通常在外表面上显示出尖峰，而在材料中从所述外表面开始下降，因此必须将表面温度限制在该方法范围内的材料不超过的最大温度，例如材料的熔点或汽化或分解点。该限制涉及适中的光功率通量和长时间周期，进而涉及高成本。
此外，文献WO 03/075329提出用经由前层的光通量来加热吸收性的子层，在比子层所达温度低的温度下，子层中所产生的热量通过扩散来加热前层。
本发明涉及一种用于在至少一个光通量脉冲的作用下至少局部加热包括至少一个待加热层以及与所述待加热层至少局部相邻的子层的晶片的方法。
根据本发明的方法包括以下步骤：
选择光通量
-其中波长使得只要所述待加热层的温度处于低温范围内，则待加热层对所述通量的吸收系数是低的，以及当待加热层的温度进入大约处于所述低温范围以上的高温范围内时，所述吸收系数显著增加，
-以及其中脉冲强度和脉冲持续时间使得当不存在所述子层时，待加热层的温度保持在所述低温范围内；
选择子层
-其中在所述低温范围内，所选波长的所述光通量的吸收系数是高的
-以及其中当所述子层受到光通量作用时，温度进入到高温范围内；
以及经由所述待加热层的与所述子层相对的表面对所述晶片至少局部施加所述光通量。
根据本发明，存在以下机制。
在第一阶段中，光通量将子层从其初始温度加热到至少处于所述高温范围内的温度。
在第二阶段中，子层通过热扩散将待加热层的相邻部分加热到处于所述高温范围内的温度。
在第三阶段中，该相邻部分因此成为吸收性的并在待加热层中产生吸收热前缘，所述吸收热前缘中的温度处于所述高温范围内，在热前缘的向前热扩散以及经由待加热层余下的还不是吸收性的部分到达所述热前缘的所述光通量的热能供应的联合或双重作用下，所述吸收热前缘朝所述前表面推进。
根据本发明，可以通过作为温度函数的吸收系数的表现过渡阈值来分隔所述低温范围和所述高温范围。
根据本发明，作为温度函数的吸收系数的所述表现过渡阈值可以在一温度范围上延伸。
根据本发明，待加热层可以是低掺杂硅。
根据本发明，待加热层可以是半导体材料。
根据本发明，所述低温范围可以基本上对应于不是本征的(intrinsic)掺杂的范围，所述高温范围可以基本对应于本征的掺杂范围。
根据本发明，待加热层可以是氮化镓。
根据本发明，子层可以是非晶硅。
根据本发明，子层可以是高掺杂硅。
根据本发明，待加热层可以是氮化镓，子层可以是硅。
根据本发明，可以通过激光器产生光通量。通过研究附图所示的作为非限制性示例进行描述的热处理方法，可以更清晰地理解本发明，其中：
图1表示晶片和相关装置的剖面；
图2表示根据本发明的应用于图1中的晶片的机制，其中X轴表示深度，Y轴表示温度；
图3表示另一晶片的剖面；
图4和5表示根据本发明的应用于图3中的晶片的机制；
图6和7表示以剖面图表示的另一晶片的实施例；
图8表示根据本发明的应用于图7中的晶片的机制；
以及图9参照图8表示了根据本发明的机制的应用示例。
图1表示晶片1，其中晶片1包括具有前表面3的层2以及与层2的后表面5相邻的子层4。
与层2的前表面5相对，安装有向所述前表面5的光通量7脉冲P发生器6。
在一替代实施例中，晶片1可以包括与子层4的后表面相邻的后层8，以形成衬底。
互相关联地选择层2和光通量7，使其具有下列特征。
光通量7的波长使得当所述层2的温度T处于低温范围PBT内时，层2对所述通量的吸收系数是低的，当层2的温度T进入大约处于所述低温范围PBT以上的高温范围PHT内时，吸收系数显著增加。
光通量7所提供的脉冲的强度和持续时间使得当不存在子层4时，层2的温度保持在所述低温范围PBT内。
互相关联地选择子层4和光通量7，使其具有以下特征。
在所述低温范围PBT内，子层4对所述波长的光通量7的吸收系数是高的。
当所述子层4受所述光通量7作用时，至少在子层4与层2相邻的厚度中，子层4的温度进入到高温范围PHT内。
令晶片1的初始温度处于低温范围PBT内，经由晶片1的前表面3对晶片1施加光通量7。然后如图2所示，出现温度升高。
在所示示例中，认为低温范围PBT的上限LST低于高温范围PHT的下限LIT。通过吸收系数的表现过渡阈值STC来分隔低温范围PBT和高温范围PHT，其中吸收系数在过渡温度范围上是温度的函数。
该机制如下所述。
在第一阶段中，在温度未达到高温范围PHT的情况下，光通量7通过层2到达子层4的深处，将所述子层4从其初始温度加热到至少处于高温范围PHT内的温度。得到温度曲线9。
在第二阶段中，子层4构成暂时热源并通过热扩散将层2的相邻部分加热到处于高温范围PHT内的温度AT。
在第三阶段中，该相邻部分因此成为吸收性的并在待加热层2的深处产生吸收热前缘10，吸收热前缘10中的温度FT处于高温范围PHT内，优选处于温度AT以上。在前缘10的向前热扩散和经由待加热层2余下的还不是吸收性的部分到达该热前缘10的光通量7的热能供应的联合作用下，在深处产生的该吸收热前缘10朝前表面3推进。
当停止通量7时，如果热前缘10未到达前表面3，根据所述推进模式，热前缘10的推进几乎立即在层2中停止。热前缘10的推进因此仅受热扩散作用的支配。
在恒定光通量7的特定条件下，层2的加热厚度在基本上与热通量的持续时间成线性关系。
以上三个阶段的上述顺序表示它们在时间上顺次发生。但是，这一顺序的描述并不排除这些阶段在时间上部分重合的可能性。
实施例的示例
光通量7可以是持续6微秒、通量为3.75×1.E6W/cm2的CO2激光脉冲。
构成层2的透明材料可以是掺杂水平约为1.E15/cm3的硅，最初置于环境温度中。
在这些条件下，一旦硅的温度不到大约270℃，硅的吸收在几cm-1左右，其非常低并且基本保持恒定。大约从该温度开始，本征载流子浓度变为大于1×E15cm-2(见文献″Physics of Semiconductor Devices″，second Edition，ISBN 0-07-062735-5，作者S.M.SZE，John Wiley和Sons，第20页图12和第26页图16)。
因此，低温范围PBT是基本上处于约等于270℃的温度下限LIT以下的温度范围，而高温范围PHT是基本上处于270℃以上的范围。根据上述文献，低温范围PBT处于载流子的非本征饱和和/或凝胶范围内，高温范围PHT处于本征范围内。
构成子层4的吸收性材料可以是掺杂水平约为1.E19/cm3的硅，最初置于环境温度中，也赋予相同的几百cm-1的吸收系数。
层2的厚度可以是约90μm，子层4的厚度可以是约10μm。
可以通过外延或沉积或离子注入的方式产生子层4。
根据用于获得晶片1的第一示例，通过将标准硅片变薄来制造掺杂到1×E15cm-3、厚度等于100μm的硅衬底。通过表面之一进行大约1×E16/cm2剂量的硼离子注入，并在大约1000℃至1100℃的温度下进行大约两小时的退火，以便获得约10微米的掺杂深度，从而得到子层4，其余90μm厚度形成层2。未用于注入的表面因而形成将通过其来施加光通量7的表面3。
根据用于获得晶片1的第二示例，在标准硅衬底上，对锑掺杂到1×E19/cm3的厚度为10微米的硅进行外延，以形成子层4。然后，在10微米的外延之上进行掺杂至1×E15/cm3且厚度为90微米的硅的外延，以形成层2。
作为补充示例，若使用CO2激光器，则子层4的吸收性材料还可以是非晶硅层、通过离子注入完全或部分非晶化的层或氧化硅SiO2层。
如果设想部件仅由层2组成，而不包括子层4，并且施加上文所定义的光通量，则可以观察到材料的温度升高不到30℃。采用现有技术中所谓的有限差分法求解热方程模拟得出该结果。
还可以通过应用下面的简单公式得到该结果：
-识别吸收系数在低温范围PBT上的最大值Alphamax
-然后通过Tmax＝Phi×tau×alphamax/Cp给出所达到的最大温度Tmax的数量级
其中Cp为热容，Phi为通量，Tau为通量持续时间，Cp为容积热(volumetric heat)，
以及其中Phi等于3.75×1.E6W/cm2，tau等于6×1.E-6S，alphamax等于2cm-1，Cp等于1.4J/cm3。
由此发现单个层2所达到的最大温度Tmax的数量级等于32℃。
应注意，在这些条件下，层2在低温范围PBT内保持很低温度。
但是，当存在子层4时，可将大厚度的透明材料在60μm左右的厚度上加热到1650K左右的温度。采用现有技术中所谓的有限差分法求解热方程模拟得出该结果。
应用示例
示例1
如图3所示，由非掺杂且无定向晶粒多晶硅衬底开始，采用微电子学中的常用技术来氧化表面之一并得到晶片1，晶片1包括非掺杂且无定向颗粒单晶硅层2和氧化硅子层4。
以这种方式，在环境温度下，该层2对CO2激光器所产生的光通量是基本透明的，子层4对于这种光通量是吸收性的。
之后，如图4所示，经由层2的前表面3以脉冲形式施加这种光通量辐射，例如局部施加在一个或多个区域上。
在子层4之前的加热作用下，以及根据上文所述的机制，该应用通过加热层2上的大约对应于光通量施加区域的区域11产生液化，所述液化区域11始于层2的后表面5或所述后表面5的紧邻处，其中热前缘11a向前推进以到达例如前表面3。
如图5所示，在光通量的施加结束之后，区域11的冷却前缘12a从前表面3出现。该前缘12a向后表面5的后部推进以形成区域12，在区域12中，硅通过再结晶成多晶硅而重新凝固。由于温度梯度的存在，再结晶可能会产生基本垂直于层2的厚度定向的较大晶粒。
可以通过扫气处理整个层2。
这种区域可以显示出较好的电特性，且可以有利于产生光电池。
示例2
如图6所示，由非掺杂单晶硅衬底开始，形成衬背8，采用微电子学中的常用技术对所述衬底的表面8a进行约1E20/cm-3的n型表面掺杂，来产生局部区域4a，从而获得由所述局部区域4a构成的吸收性子层4。例如，每个区域4a是正方形的，厚度约为2微米，边长约等于50微米，区域4a之间的间隔约为25微米。
之后，如图7所示，在表面8a上进行非掺杂硅的外延，从而形成层2。
之后，如图8所示，在前表面3上施加红外功率光束或通量7(例如镱掺杂光纤功率激光器)，在几百毫微秒中沉积20焦耳/平方厘米的表面区域。如上所述，这导致层2位于子层4的区域4a与前表面3之间的区域2a至少局部加热，而不会加热层2的其他部分。于是这种差温加热可以用于处理被加热区域2a。
例如，如图9所示，可在包含氧气和/或水蒸气的腔12中进行上文参照图8所述的加热。氧气的存在以及层2的区域2a中的升温导致在层2的前表面3上产生在深处区域4a上方自对准的氧化硅区域13。

Claims (11)

1.一种用于在至少一个光通量脉冲的作用下至少局部加热晶片(1)的方法，其中晶片(1)包括至少一个待加热层(2)以及与所述待加热层至少局部相邻的子层(4)，所述方法包括以下步骤：
选择光通量(7)
其中波长使得只要所述待加热层的温度处于低温范围(PBT)内，则待加热层(2)对所述通量的吸收系数是低的，并且当待加热层的温度进入处于所述低温范围以上的高温范围(PHT)内时，所述吸收系数增加，其中所述低温范围(PBT)的上限低于所述高温范围(PHT)的下限，
以及其中脉冲强度和脉冲持续时间使得当不存在所述子层时，待加热层的温度保持在所述低温范围内；
选择子层(4)
其中在所述低温范围(PBT)内，所选波长的所述光通量的吸收系数是高的
以及其中当所述子层受到光通量作用时，温度进入到高温范围(PHT)内；
以及经由所述待加热层(2)的与所述子层(4)相对的表面(3)对所述晶片(1)至少局部施加所述光通量(7)；
从而在第一阶段中，光通量(7)将子层(4)从其初始温度加热到至少处于所述高温范围(PHT)内的温度，在第二阶段中，子层(4)通过热扩散将待加热层(2)的相邻部分加热到处于所述高温范围(PHT)内的温度，以及在第三阶段中，该相邻部分因此成为对光通量(7)是吸收性的并在待加热层(2)中产生吸收热前缘(10)，所述吸收热前缘(10)中的温度处于所述高温范围(PHT)内，在热前缘(10)的向前热扩散以及经由待加热层(2)余下的还不是吸收性的部分到达所述热前缘的所述光通量(7)的热能供应的联合或双重作用下，所述吸收热前缘(10)朝待加热层(2)的前表面(3)推进。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可以通过作为温度函数的吸收系数的表现过渡阈值来分隔所述低温范围(PBT)和所述高温范围(PHT)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，作为温度函数的吸收系数的所述表现过渡阈值(STC)在一温度范围上延伸。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待加热层(2)是低掺杂硅。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待加热层(2)是半导体材料。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述低温范围(PBT)对应于不是本征的掺杂的范围，所述高温范围(PHT)对应于本征的掺杂的范围。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待加热层(2)是氮化镓。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，子层(4)是非晶硅。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，子层(4)是高掺杂硅。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，待加热层(2)是氮化镓，子层是硅。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过激光器产生光通量(7)。
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