CN102324385A

CN102324385A - 用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描及控制方式

Info

Publication number: CN102324385A
Application number: CN201110273235A
Authority: CN
Inventors: 严利人; 周卫; 刘朋; 窦维治
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光加工中的高行重叠率的光束扫描方式。经过扩束、匀束、光束整形处理后的一定形状的激光束斑，相对于晶圆片做扫描动作，包括采用晶圆片平移而激光束不动的方式进行，或采用激光束平移而晶圆片不动的方式来进行取一定长度的特定形状的激光束斑，从左到右或从右到左一遍遍地扫描和加工处理晶圆片。连续两行之间的间距取为远小于束斑长度，就形成了高重叠率的扫描运行。采用这样的扫描方式，可以在不变更激光加工处理设备其他部件，不对其他部件提更高技术指标要求的情况下，极大地提高激光加工处理的片内均匀性。此外，由于允许扫描机构中的重载部件以匀速度运行，可提高位置控制精度，改善扫描运动控制的效果。

Description

用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描及控制方式

技术领域

本发明属于半导体制造设备范围，特别涉及一种用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描及其控制方式。

背景技术

激光退火技术已广泛用于半导体材料的加工处理，例如激光退火，激光辅助薄膜沉积，激光再结晶应用等等。

激光加工中，由于束斑尺寸的限制，如果要对整个晶圆片进行退火，就必须使激光束与晶圆片之间形成相对的运动，这样随着处理时间的推移，激光束将移动和覆盖满整个的晶圆片表面，这样才能够完成晶圆片整片的加工处理。

因为要求激光束斑一块一块地逐步覆盖整个晶圆片的表面积，对于激光束斑之间的衔接提出了很高的要求。例如，要求下一扫描行的上端，要紧邻上一扫描行的下端，在两行激光扫描束的痕迹之间，既不允许有重叠，也不允许有漏空(扫描不到的地方)。假如是发生了上述的情况，则晶圆片表面总是存在激光作用了两遍，或者激光完全没有作用到的地方，鉴于现代集成电路技术，在很小的晶圆片表面积上能够集成地制作出很多晶体管器件，因此哪怕是很小一点的异常作用面积，也会导致多个器件性能与其他正常退火的器件不一致，造成激光退火工艺失效。

处理激光扫描行之间的衔接问题，可采用如下一些方法。例如，令激光束边沿处的光强在很短尺度内迅速下降至零，也就是造成锐利的激光束斑边沿，然后两扫描行之间，通过精确的位置控制而实现理想的衔接。另一种方案是利用芯片之间的划片道，令扫描行衔接处不容易控制的部分，刚好处于划片道区域，因而回避掉控制不良的问题。此外，采用面积线性下降的束斑，例如梯形的、六角形的束斑等，也可以改善衔接控制的问题。

无论是上述何种方法，要么两扫描行之间密接而不相重叠的，要么允许一定的重叠量，但重叠区域的尺度很小，都反映的是传统的行扫描概念。

本发明提出了另外一种思路，令两扫描行大尺度重叠，例如，重叠量可达90％，通过提高扫描行重叠率的方法来实现加工效果的均匀性，这种高重叠率，已经脱离了传统概念中的逐行扫描的模式，成为了一种激光束运动控制的新颖的方式。在另外一方面，相应的扫描控制技术也较传统扫描有大的差别，而扫描控制本身更加有效。

发明内容

本发明提出一种用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描方法，其特征在于，经过扩束、匀束、光束整形处理后的一定形状的激光束斑，相对于晶圆片做扫描动作，包括采用晶圆片平移而激光束不动的方式进行，或采用激光束平移而晶圆片不动的方式来进行；

若采用移动片台，由片台载着晶圆片做扫描的移动，形成两行之间的高重叠率，即通过片台在从左到右扫描完一行后，然后从右到左扫描下一行，在片台左右做扫描的同时，也保持纵向的前后连续移动，且控制两扫描行的间隔为光束束斑长度的1/10或者更小一些，如此连续地进行；

若采用经过处理后的激光束斑移动，在晶圆片表面一行行地扫描，进而完成对于晶圆片整片的加工处理，第一行扫描束斑与第二行扫描束斑之间形成90％以上的区域重叠率，从而实现高行重叠率的扫描方式；

所述高行重叠率，在假定扫描行的重叠率为90％的情况下，晶圆片上的某点经历了10个完整束斑的扫描，而片上另外一点只是经历了9个完整束斑的扫描，两者之间最大的误差是10％。

所述晶圆片上的每一个点所经历的激光扫描处理的过程是相同的，或接近于相同，因而激光加工处理的效果是均匀的。

所述高行重叠率的扫描方式采取Y方向一直平稳运行的方式，也就是令动作机构在X方向上做左右的连续性的扫描，而与此同时，在Y方向上执行匀速运动；这里，Y方向动作机构需要承载片台和X方向的动作机构，所以是重载的运动部件；通过令Y方向执行匀速的运动，减少了传统控制中Y方向运动的频繁的启动/停止，就非常有利于总体上的片台位置控制；若Y方向的运动取变速度运行，只要速度的变化是缓慢、连续的，并且变化量不很大，则相较于传统方案，在精确位置控制方面，仍旧具有优势。

所述Y方向的运动在考虑晶圆片为圆形的情况下，在晶圆片的上端和下端，X方向的扫描的行程是比较小的，不需要达到晶圆片直径的程度，在这种情况下，如果行间距及行重叠率保持不变，那么Y方向的运行，在扫描晶圆片的上端和下端时，速度是比较快一些的，而在扫描晶圆片中部时，X扫描行程略大于晶圆片的直径，Y方向运行速度下降至最小值；在计算机程序控制下进行控制；其中，Y方向的匀速运动的速度v，由X方向扫描完一整行的总时间t，含扫描和一侧掉头的时间，和用户设定的行距h决定，v＝h/t，此时，行重叠率与束斑长度w有关，行重叠率＝(1-h/w)％。

本发明的有益效果是，取一定长度的特定形状的激光束斑，在束斑宽度的方向上进行扫描并逐行加工处理晶圆片。连续两行之间的间距远小于束斑的长度，也就是形成了高重叠率的扫描运行，采用这样的扫描方式，可以在不变更激光加工处理设备其他部件，不对其他部件提更高技术指标要求的情况下，极大地提高激光加工处理的片内均匀性。此外，由于允许扫描机构中的重载部件以匀速度运行，可提高位置控制精度，改善扫描运动控制的效果。

附图说明

图1为两行束斑大面积重叠的情况；

图2为显示了对应于片上不同点的扫描线；

图3为传统的扫描控制方案中，X、Y方向的位置随时间的变化；

图4为本发明扫描控制方案中，X、Y方向的位置随时间的变化。

图中，

1.是第一行扫描的束斑；

2.是第二行扫描的束斑；

3.是两扫描行束斑相重叠的区域；

具体实施方式

本发明提出一种用于半导体激光加工中的高行重叠率的光束扫描方式，以及在高行重叠率方法中更加有效的扫描运动的控制措施。

经过扩束、匀束、光束整形处理后，得到一定形状的激光束斑。令这样的激光束斑相对于晶圆片做扫描动作，既可以采用晶圆片平移而激光束不动的方式进行，也可以采用激光束平移而晶圆片不动的方式来进行。举例来说，可以采用移动片台，由片台载着晶圆片做扫描的移动。对于本发明特殊的扫描运动而言，主要是要形成两行之间的高重叠率，举例来说，可以通过片台在从左到右扫描完一行后，然后从右到左扫描下一行，在片台左右做扫描的同时，也保持纵向的连续移动，且控制两扫描行的间隔为光束束斑长度的1/10或者更小一些，如此连续地进行。假定扫描行的重叠率是90％，在最差情况下，无非是片上的某点经历了10个完整束斑的扫描，而片上另外一点只是经历了9个完整束斑的扫描，两者之间最大的误差是10％。

也可以从另一个角度来考察工艺作用均匀性的情况。对于晶圆片上的一个点，激光束不断扫描通过该点处，对该点进行加工处理。由于运动的相对性，也可以看成是该点运动通过激光束斑。所述激光束斑在晶圆片上的一点一点地移动，通过片台在从左到右扫描完一行(图2中实线)，然后从右到左扫描下一行(图2中虚线)，形成一系列的扫描线。如果束斑光强是均匀的，那么对于晶圆片上某点的作用量，将与扫描线落在束斑以内的线长成比例，从图2中可以看出，对于两个晶圆片上的点，其作用量可以做到近似相等。对于片上的所有点，情形均是如此。

高行重叠率的扫描方式，在保障激光作用均匀性的前提下，更为重要的优点，体现在扫描控制方面。就精密工件台的运动控制而言，最难处理的是运动方向折转180度，掉头行进，这个过程既涉及平稳运动的减速，又涉及运动从0速度开始的加速，和加速到某特定值后的稳速。

对于传统的扫描来说，采用的是蛇形行进，其X，Y方向的位置随时间变化的情况，如图3(A、B、C)所示。图3中，特别需要注意，Y方向的运动有很多启停，会存在位置过冲及位置控制的不稳定性，这是传统扫描方式的问题。

与传统形式不同，在本发明中，采取的是Y方向一直平稳运行的方式，X，Y方向的位置随时间变化的情况，如图4(A、B、C)所示。由于Y方向动作机构既要承载片台，还要承载X方向的动作机构，属于重载运动部件，所以Y方向的这种平稳的匀速运动，是非常有利于总体上的片台位置控制的。这种优势，仅在高行重叠率的扫描方式中才能够得到，一般的扫描方式做不到此点。

就扫描运行的控制而言，可采取Y方向一直平稳运行的方式，也就是令动作机构在X方向上做左右的连续性的扫描，而与此同时，在Y方向上执行匀速运动。这里，Y方向动作机构需要承载片台和X方向的动作机构两者，所以是重载的运动部件，通过令Y方向执行匀速的运动，减少了传统控制中Y方向运动的频繁的启动/停止，就非常有利于总体上的片台位置控制了。

Y方向的匀速运动的速度v，由X方向扫描完一整行的总时间t，含扫描和一侧掉头的时间，和用户设定的行距h决定，v＝h/t。此时，行重叠率与束斑长度w有关，行重叠率＝(1-h/w)，取百分数。

Y方向的运动控制，也可以进行一些变通。考虑晶圆片为圆形的，在晶圆片的上端和下端，X方向的扫描的行程可以比较小，不需要达到晶圆片直径的程度，在这种情况下，如果行间距及行重叠率保持不变，那么Y方向的运行，在扫描晶圆片的上端和下端时，速度是比较快一些的，而在扫描晶圆片中部时(此时X扫描行程略大于晶圆片的直径)，Y方向运行速度下降至最小值。综上所述，Y方向的运行也可以采取变速的方法，在计算机程序控制下进行。尽管是变速度运行，由于速度的变化是缓慢、连续的，并且变化量并不需要很大，相较于其他方案，在精确位置控制方面，仍旧具有优势。

Claims

1.一种用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描方法，其特征在于，经过扩束、匀束、光束整形处理后的一定形状的激光束斑，相对于晶圆片做扫描动作，包括采用晶圆片平移而激光束不动的方式进行，或采用激光束平移而晶圆片不动的方式来进行；

若采用经过处理后的激光束斑移动，在晶圆片表面一行行地扫描，进而完成对于晶圆片整片的加工处理，第一行扫描束斑与第二行扫描束斑之间形成90％以上的区域重叠率，从而实现高行重叠率的扫描方式。

2.根据权利要求1所述用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描方法，其特征在于，所述高行重叠率，在假定扫描行的重叠率为90％的情况下，晶圆片上的某点经历了10个完整束斑的扫描，而片上另外一点只是经历了9个完整束斑的扫描，两者之间最大的误差是10％。

3.根据权利要求1所述用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描方法，其特征在于，所述晶圆片上的每一个点所经历的激光扫描处理的过程是相同的，或接近于相同，因而激光加工处理的效果是均匀的。

4.根据权利要求1所述用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描方法，其特征在于，所述高行重叠率的扫描方式采取Y方向一直平稳运行的方式，也就是令动作机构在X方向上做左右的连续性的扫描，而与此同时，在Y方向上执行匀速运动；这里，Y方向动作机构需要承载片台和X方向的动作机构，所以是重载的运动部件；通过令Y方向执行匀速的运动，减少了传统控制中Y方向运动的频繁的启动/停止，就非常有利于总体上的片台位置控制；若Y方向的运动取变速度运行，则只要控制速度的变化处于缓慢、连续，且变化量不很大，这种情况下，相较于传统方案，在精确位置控制方面，仍旧具有优势。

5.根据权利要求1所述用于半导体激光加工中高行重叠率的光束扫描方法，其特征在于，所述Y方向的运动在考虑晶圆片为圆形的情况下，在晶圆片的上端和下端，X方向的扫描的行程是比较小的，不需要达到晶圆片直径的程度，在这种情况下，如果行间距及行重叠率保持不变，那么Y方向的运行，在扫描晶圆片的上端和下端时，速度是比较快一些的，而在扫描晶圆片中部时即此时X扫描行程略大于晶圆片的直径，Y方向运行速度下降至最小值；在计算机程序控制下进行控制；其中，Y方向的匀速运动的速度v，由X方向扫描完一整行的总时间t，含扫描和一侧掉头的时间，和用户设定的行距h决定，v＝h/t，此时，行重叠率与束斑长度w有关，行重叠率＝(1-h/w)％。