CN103890913A - 用于激光处理设备的多重光束组合器 - Google Patents

Abstract

公开用于组合放大的辐射光束的设备和方法。光束组合器具有准直光学元件，该准直光学元件被定位成相对于准直光学元件的光轴以恒定的入射角接收多个相干辐射光束。各自的入射角度在某些实施方式中亦可为不同的。准直光学元件具有使光束准直的光学特性。该光学特性可为折射或反射，或折射与反射的结合。亦可提供聚集光学元件以将多个光束引导至准直光学元件。光束组合器可用于热处理设备中，以将诸如激光的两个以上的相干放大辐射光束组合至单一光束中。

Description

用于激光处理设备的多重光束组合器

技术领域

本文所述的实施方式涉及半导体装置的制造。更具体地，本文所述的实施方式涉及用于热处理的设备及方法。

背景技术

热处理在半导体工业中经常实施。半导体基板在许多转型(transformations)的情境中经受热处理，这些转型包括栅极源、漏极及沟道结构的掺杂、启动(activation)和退火，硅化、结晶、氧化等等。经过多年，热处理的技术已经从单纯的烘烤炉发展成越来越迅速地热处理的各种形式，例如RTP、峰值退火(spike annealing)和激光退火。

传统的激光退火工艺使用可为半导体或固态激光器的激光发射器，其具有将激光对焦、散焦或各种成像以成为所需形状的光学元件(optics)。常用的方式为将激光成像为线形或薄矩形影像。激光遍及基板扫描(或基板在激光之下移动)以处理基板的全部表面。

随着装置的几何形状日益减小，诸如热处理的半导体制造工艺受到挑战而需要发展更高的精确性。在许多实例中，脉冲激光工艺被发现可降低整体热预算(budget)，以及减少在基板处能量暴露的深度和时间。然而，形成具有临时形状的激光脉冲仍存在挑战性，该临时形状能够提供所需的处理性能，并且具有对于遍及基板的表面进行均匀处理的均匀性的需求。因此，仍持续需要新的设备和方法以用于半导体基板的热处理。

发明内容

兹公开用于组合放大的辐射光束的设备和方法。光束组合器具有准直光学元件，该准直光学元件被定位成相对于准直光学元件的光轴以恒定的入射角接收多个相干辐射光束(coherent radiation beams)。各自的入射角度在某些实施方式中亦可为不同的。准直光学元件具有使光束准直的光学特性。该光学特性可为折射或反射，或折射与反射的结合。亦可提供聚集光学元件以将多个光束引导至准直光学元件。光束组合器可用于热处理设备中，以将诸如激光的两个以上的相干放大辐射光束组合至单一光束中。

准直光学元件可为具有小平面的反射器(faceted reflector)，该具有小平面的反射器以所述多个光束各自的入射角接收所述多个光束，且沿着共同的光轴反射所述光束。光束可沿着非常靠近的路径反射，使得反射的光束形成组合的光束。准直光学元件可为折射部件，该折射部件接收多个光束且沿着共同的光轴弯折光束。折射部件可沿着非常靠近的路径、部分重迭的路径或完全重迭的路径弯折光束，以形成沿着单一光学路径传播的光束。

附图说明

为了可详细了解本发明上述特征的方式，可参考实施方式获得对于如以上简述之发明内容的本发明更具体说明，这些实施方式中的某些实施方式图示于附图中。然而应了解，附图仅图示本发明的典型实施方式，且因此不应将附图考虑为对于本发明范围的限制，因为本发明可允许有其他等效的实施方式。

图1A是根据一个实施方式的相干辐射源的侧视图。

图1B是根据一个实施方式的、图1A的聚集光学元件的反射侧的轴向视图。

图1C是图1A的准直光学元件的侧视图。

图1D是根据另一实施方式的准直光学元件的侧视图。

图2是根据另一实施方式的相干辐射源的侧视图。

图3是根据另一实施方式的相干辐射源的侧视图。

为了帮助理解，尽可能地使用相同的参考标记以代表附图中共用的相同元件。可以预见到，在一个实施方式中所揭露的元件可有益地应用在其他实施方式上，而无须特殊说明。

具体实施方式

图1A是根据一个实施方式的相干辐射源100的侧视图。相干辐射源100可为激光辐射源或非共振放大的相干辐射源。相干辐射源100具有多个相干辐射发射器102，这些相干辐射发射器102中的每个发射相干辐射的入射光束104。各个辐射发射器102可独立地作为激光源或非共振放大的相干辐射源，例如一连串的光学放大器。每个光束被引导以朝向准直光学元件106，该准直光学元件106被定位以接收多个相干辐射光束104且输出实质上单一的辐射光束108，构成来自多个发射器的组合的相干辐射光束。准直光学元件106在某些实施方式中为组合光学元件。

准直光学元件106可为反射器、折射器、或反射器与折射器的组合。在图1A中，准直光学元件106图示为反射器，但如以下更详细地叙述的，图2包括为折射器的准直光学元件206。准直光学元件106具有与相干辐射光束104相对于准直光学元件106的入射角相对应的准直光学特性。对于折射器而言，准直光学特性可为根据司乃耳定律(Snell's law)的对应于入射角的折射率，使入射光束在离开准直光学元件106时弯曲成单一光学路径。对于反射器而言，准直光学特性亦可为反射角度，该反射角度将入射相干光束反射至实质上单一的光学路径上。在反射准直光学元件的情况中(例如准直光学元件106)，反射器可为镜子，且反射器可为弯曲的或具有小平面的(faceted)。如图1A所图示，具有小平面的镜子可具有多个小平面(facets)，每个小平面对应于一个入射相干辐射光束。

可通过定位发射器102而将入射相干光束104引导至准直光学元件106，发射器102被定位成将它们发射的光束指向准直光学元件，或如图1A中所示，可使用聚集光学元件110。聚集光学元件110亦可为反射性或折射性光学元件。在图1A中，聚集光学元件110为具有一个或更多个反射表面112的反射器，这些反射表面112的角度被设置为将入射光束104反射向准直光学元件106。聚集光学元件110具有开口114，组合光束108可通过开口114离开设备100，但开口114并非必要的。举例而言，若图1A中的准直光学元件106为折射器，则组合光束108将从聚集光学元件110行进而离开设备，因此将不需要中央开口114。

中央开口114可为任何所需的尺寸及形状，且中央开口114在某些实施方式中可为用于使组合光束108成形的孔洞。举例而言，若组合的光束108需要矩形的光束截面，则中央开口114可具有矩形的形状。中央开口114亦可建构成孔洞，以通过截去组合光束108的边缘非均匀性来改良光束中的能量分布的均匀性。

图1B是根据一个实施方式的聚集光学元件110的反射侧的轴向视图。图1B的聚集光学元件110被根据大致方形的几何形状配置，以将四个入射相干光束组合成单一的组合光束。四个反射表面112在目标位置116处接收四个入射相干光束，并且将它们反射向图1A的准直光学元件106(未图示于图1B中)。准直光学元件106将光束104反射向聚集光学元件110的中央开口114。

在图1A及图1B中将聚集光学元件110图示和描述为具有小平面的反射器，但在可选的实施方式中，聚集光学元件110可为连续弯曲的反射器，例如弯曲的镜子，如抛物柱面镜(parabolic mirror)。聚集光学元件110亦可为未连接为单一结构或物体的、多个分离的反射器的集合，例如多个镜子。在另一实施方式中，聚集光学元件110可为具有小平面或弯曲表面的环状反射器或环状镜子。

应了解，可使用设备100将任何数量的相干光束104组合为组合光束108。如图1A及图1B中所图示，设备100提供光学元件以将四个光学路径组合成一个光学路径，但可提供更多或更少数量的光学表面以组合更多或更少数量的光束。举例而言，图1B的聚集光学元件110可配置成通过为每个入射光束提供反射或折射位置(loci)(例如目标位置116)，以聚集五个、六个、七个或任何随意数量的光束。弯曲的聚集光学元件110可直接适用于聚集任何数量的相干光束。

聚集光学元件110可配置成执行入射相干光束104的任何所需的光学转换。若入射相干光束104为发散的(如许多二极管激光器或激光二极管阵列所具有的)，聚集光学元件110可通过在目标位置116处提供适当弯曲的反射表面，以准直或聚焦每个入射相干光束104。如果需要，反射表面亦可具有屈光能力(dioptric power)，以放大或缩小入射相干光束104。对于诸如固态激光器的较少发散源，反射表面为大致平坦的或实质上平坦的，以维持入射相干光束的线性。一般而言，聚集光学元件的反射表面可具有光学性能(opticalpower)，以校正或改变入射光束的与传播方向相关联的任何特性，例如焦点、倍率(magnification)、扭曲(distortion)等等。

图1C是图1A的准直光学元件106的侧视图。准直光学元件106具有反射小平面118，各个反射小平面的角度被设置为以入射角度接收相干辐射光束104、且沿着与准直光学元件106的光轴122平行的光学路径反射相干辐射光束104以形成组合光束108。因此，各个相干光束104沿着与其他相干光束104紧密相邻的平行路径反射，导致组合光束108包含侧向紧密相邻的子光束的集合。若入射相干光束104为实质上的单一模式光束，例如高斯光束(Gaussianbeams)，则组合光束108将类似于具有TEM_0n/2类型的横向模式的单一相干光束，其中n为入射相干光束104的数量。若入射相干光束104为多模式(multi-mode)光束，或单一模式与多模式光束的混合，则组合光束108将具有并不类似于任何典型可分解单一光束形态的复杂形态(modality)。

当使用聚集光学元件110时，准直光学元件106可具有光学性能，从而以与传播方向相关联的任何预期方式来改变入射光束。图1C的准直光学元件图示为具有尖的(pointed)中央，但根据需要，中央也可为平坦或圆的(rounded)。在图1C的实施方式中，准直光学元件106的中央是不起作用的(non-functional)，所以不同的中央形状将不会改变准直光学元件106的功能。在其他实施方式中，准直光学元件106的中央可能是起作用的。

组合的聚集光学元件110和准直光学元件106可配置成将入射相干光束104定位成任何所需的关系成为组合光束108，以产生组合光束108的所需形态。由图1A-1C的光学元件所产生的组合光束108将大致具有较低或可忽略的中央能量密度，因为入射相干光束104被布置为紧密靠近出口光轴122的四周，而没有光束位于中央。

在可选的实施方式中，聚集光学元件110及准直光学元件106中的每个可配置成具有反射表面112/118，该反射表面将入射相干光束104中的一个布置在组合光束108的中央，直接在出口光轴122上传播，以产生具有可选形态的组合光束108。在此实施方式中，聚集光学元件110(若使用聚集光学元件)的一个反射表面或目标位置116系的角度被设置以引导入射相干光束104朝向准直光学元件106的中央，且准直光学元件106的一个反射表面118延伸跨越准直光学元件106的中央，且该反射表面118的角度被调整以在准直光学元件106的中央(在沿着准直光学元件106的中心轴或出口光轴122的一点处)接收入射相干光束104并沿着出口光轴122反射光束。

图1D是准直光学元件124的侧视图，该准直光学元件124配置成将入射相干光束104组合成组合光束108，该组合光束108在出口光轴122上具有能量强度最大模式。图示了三个入射相干光束104，其中两个从与图1C的准直光学元件106的反射表面相同的表面118反射，以及一个从延伸的表面126反射。延伸的表面126包围出口光轴122，对应于准直光学元件124的中心轴，使得入射相干光束104可被引导至出口光轴122上的目标位置。延伸的表面126具有不同于其他反射表面118的角度，此差异是由于被引导到准直光学元件124的中央的入射相干光束104以不同于其他入射相干光束104的入射角度到达所引起。当具有反射表面118时，延伸的表面126可具有光学性能以通过任何与传播方向相关联的方式调整入射在延伸的表面126上的相干光束104的特性，例如焦点、倍率和/或扭曲。

任何适当的反射器都可用于准直光学元件106。金属处理的(metallized)表面、介电镜子(dielectric mirrors)、布拉格镜(Bragg mirrors)及部分镜子(partial mirrors)均可被使用。

图2是根据另一实施方式的相干辐射源200的侧视图。相干辐射源200在许多方面都与相干辐射源100相似，而关键的差异在于聚集光学元件和组合光学元件为折射性的而非反射性。图2的组合光学元件206具有入口表面和出口表面，入口表面和出口表面一起将入射相干光束104弯曲成组合光束208，该组合光束208与图1A-1D的组合光束108相似。组合光束208具有被准直为紧密相邻地沿着单一光轴而传播的分量光束。组合光束208的截面可类似于TEM_0n/2光束，其在光轴上具有被多个能量最大值波瓣环绕的相对较暗的中央。

入射相干光束104由折射性聚集光学元件210聚集，该折射性聚集光学元件210将光束折射向折射性组合光学元件206。折射性聚集光学元件210和折射性组合光学元件206中的每个可为单个部件或诸如透镜或棱镜的多个部件。折射性光学元件206及210中的每个可为环状或类环状，具有实心的外部部分和中央开口，各个部件的周围和中央开口具有任何适宜的形状，包括圆形、椭圆、三角形、多边形或不规则形。当具有图1A-1D的反射光学元件时，与入射光束104相互作用的表面可为平坦的、弯曲的、具有小平面的或它们的任意组合。如果需要，可去除折射性光学元件210和206中每个或任一个的中央开口。在一个实施方式中，折射性聚集光学元件210和折射性组合光学元件206中的每个都是透镜。在折射性聚集光学元件210为透镜的实施方式中，折射性聚集光学元件210可具有中央开口，或者折射性聚集光学元件210可具有实心的中央而非中央开口。应了解，将准直的光束(例如激光束)投射在和穿过弯曲的表面会产生汇聚或发散效应，如果需要，此汇聚或发散效应可使用校正光学元件来校正。

可通过将发射器102直接以所需的入射角度指向组合光学元件206而省略聚集光学元件210。应了解，尽管图2中仅可见到两个发射器102，但也可布置任何数量的发射器与组合光学元件206光学通信，以产生组合光束208。如上所述，在图2的实施方式中，组合光束208是分量光束的集合，这些分量光束被安排成与共同的光轴紧密相邻地传播，类似于从单一发射器所发射的高形态相干辐射光束。在使用折射性光学元件的可选实施方式中，可将一分量光束布置在光轴上，而使其他分量光束环绕该布置在光轴上的分量光束且紧密相邻地传播。这可以通过引导入射光束104穿过折射性聚集光学元件210与折射性组合光学元件206中每个的中央开口而实现。以此方式，组合光束208可具有近似于两个分量形态的混合光束的截面能量分布，一个分量具有TEM00高斯形态而另一个具有TEM_0n/2形态，其中n为非轴向入射相干光束104的数量。

入射相干光束104可经安排成，使得作为组合光束208之分量的每个分量光束的截面边缘接触至少一个其他分量光束的截面边缘。这种可以这样实现，即通过将折射性组合光学元件206定位于与折射性聚集光学元件210相隔一定距离处，以使得入射光束104在进入折射性组合光学元件206之前会聚成部分重迭的关系。折射性组合光学元件206可具有一个或更多个弯曲的表面，以接纳和准直该重迭的入射光束，因此可导致组合光束208中的某些非线性。如果需要，可使用孔洞根本性去除由非线性导致的组合光束208的边缘非均匀性。

图3是根据另一实施方式的相干辐射源300的侧视图。在图3的实施方式中，第一弯曲镜子302作为聚集光学元件使用，且第二弯曲镜子304作为组合光学元件使用。入射相干光束310A及310B从第一弯曲镜子302反射，且反射的相干光束312A及312B朝向第二弯曲镜子304传播。反射的相干光束312A及312B再次被第二弯曲镜子304反射，且分量光束314A及314B传播通过第一弯曲镜子302中的中央开口306。分量光束314A及314B被准直光学元件308(该准直光学元件可为透镜)准直，以形成由准直的分量光束316A及316B组成的组合光束316。各种光学元件的距离及曲率可根据已知的公式调整，以提供所需的放大或缩小，从而使得可由入射相干光束310A及310B获得准直的分量光束316A及316B的任意组合关系。应了解，尽管图3的实施方式中显示了两个入射相干光束310A及310B，但可使用第3图的设备组合任何数量的入射相干光束。

校正板318也可被布置于相干辐射源300的入口瞳孔(entry pupil)处，或布置于沿着光学路径的任何有益位置处，以通过折射性地调整入射相干光束310A及310B来对组合光束316施加所需的调整。校正板318可具有折射特性以弥补在第一和第二弯曲镜子中的任何缺陷或误差。校正板318亦可部分地准直入射光束310A及310B，以使得准直光学元件308可具有更长的焦距且仍可准直紧密相邻的显露(emergent)光束316A及316B。布置在第二弯曲镜子304与准直光学元件308之间的校正板或校正光学元件，可在光束310A及310B到达准直光学元件308之前，部分地准直或散焦光束310A及310B。

应了解，准直光学元件308可定位成与第二弯曲镜子304的焦点相距任何所需的距离，此距离由准直光学元件308的焦距所控制。典型地，准直光学元件308被定位成，使得第二弯曲镜子304的焦点与准直光学元件308之间的距离基本上等于准直光学元件308的焦距，从而使得入射在准直光学元件308上的辐射光束基本上平行地离开。取决于该系统的其他元件的光学特性，可使用短焦距的元件以准直紧密相邻的光束316A及316B。

图1A-3中所述的实施方式组合了各种反射及折射元件以形成光束组合器。如上所述，反射及折射元件可在单个实施方式中组合。再者，在某些实施方式中，单个光学元件可组合反射及折射分量。例如，布拉格镜同时具有反射性及折射性，但其他实例也是可以理解的。图1C的反射性准直光学元件106可为棱镜，且反射表面118可为布拉格镜或金属处理的表面。如果需要，可通过将棱镜的中央点替换成具有可透射的平坦表面，以使得此棱镜具有可透射核心。于是，一个或更多个入射光束可被引导沿着光轴通过棱镜的中央平坦表面，而其他入射光束沿着光轴从多个面118反射，以产生反射及折射分量的组合光束。

本文所述的所有实施方式的特征在于光束的轴向组合。换言之，进入光束的光轴或对称轴基本上平行于离开的一个或多个组合光束的光轴。然而，这种定向并非必需的。可使用诸如镜子的反射性或折射性光学元件而使离开的一个或多个光束转向至任何预期的轴。此外，如果需要，可分阶段使用多个组合器，以从第一多个光束形成第一组合光束，接着将第二多个光束与第一组合光束组合以形成第二组合光束。如上所述，第一组合光束可沿着第二光束组合器的光轴传播并通过第二光束组合器的中央开口，其中使用例如图2的光束组合器或图3的光束组合器(具有形成为通过第二弯曲镜子304中央的小孔)。第一组合光束将传播通过第二光束组合器，且由第二光束组合器组合的光束将显现为与第一组合光束紧密相邻地组合。可以此方式分阶段使用任何数量的光束组合器。

最后，应了解，本文所述的反射性及折射性光学元件的任何适当的组合，可用以将多个相干光束组合成单一光束。当使用折射性光学元件时所典型发生的功率损失，可通过使用抗反射涂层而在某种程度上克服，但较佳地将反射性光学元件用于低损失高功率应用。然而，折射性光学元件具有可使用折射介质(refractive media)控制光的传播的优点。举例而言，如果需要，使用折射性光学元件的光束组合器可偏振一个或更多个分量光束。如果需要，通过提供光束组合器的漫射出口表面，可通过光束组合器使光束在空间上去相关(decorrelated)。举例而言，组合光学元件206的出口表面可为漫射表面，以在组合光束208中提供分量光束的空间去相关。

组合光束108及208的均匀性可通过使用均匀化(homogenizing)光学元件而改良，例如使用散光器、透镜阵列、搅模器(mode scrambler)、去相关器(decorrelator)等等。可施加至诸如光束108及208之组合光束的均匀化光学元件的实例，可参见美国专利公开号2009/0032511的图9、10A及10B中以及这些附图的相关文字。

一般而言，通过将入射相干光束引导至组合光学元件，该组合光学元件将该光束排列成完全重迭的关系(使得光束在空间中位于同一位置)、或部分重迭的关系、或在空间上紧密相邻的非重迭关系，从而建构单一的共同传播辐射光束，这样可将任何数量的入射相干光束组合成实质上的单一光束，该光束可以以任何程度相干。组合光学元件可为反射性或折射性光学元件，且组合光学元件可组合反射及折射分量。此外，在上面结合图1A-2所示的实例中，准直光学元件可组合耦合至反射分量的一个或更多个折射分量，以实现各个光束的传播方向的所需改变和/或调整组合光束的其他光学特性。举例而言，在组合光学元件的不同目标位置处使用局部折射光学元件，可将不同的偏振施加至单个入射光束，以产生具有复杂偏振模式的组合光束(亦即，沿着特定轴的、在光束的整个剖面中具有变化值的偏振)。在图1C和1D的准直光学元件106的实例中，可将偏振薄膜施加至反射表面118和126中的每个，该偏振薄膜对每个分别的入射相干光束104施加不同的偏振轴，使得组合光束108在组合光束108截面中的不同位置处具有不同的偏振值。

本文所述的方法和设备的额外的能力是将不同波长的入射相干光束组合成单一多色组合光束。在此实施方式中，以不同波长发射的多个激光可被组合成一个“白光激光”，产生非单色或者甚至为窄谱的、集中辐射能量的高功率线性光束。此光束可具有比任何普通放大器本身可发射的光更广的光谱。

尽管以上说明是针对本发明的实施方式，但也可设想本发明其他及进一步的实施方式而不脱离本发明的基本范围。

Claims (16)

1.一种用于将多个相干光束组合成组合光束的光束组合器，包含：

准直光学元件，所述准直光学元件被定位成相对于所述准直光学元件的光轴以相同的入射角接收所述多个相干光束，所述准直光学元件具有准直光学特性。

2.如权利要求1所述的光束组合器，其中所述光学特性是折射率或反射角，其中所述折射率或所述反射角以准直关系对应于所述入射角。

3.如权利要求1所述的光束组合器，进一步包含聚集光学元件，所述聚集光学元件被定位以将所述多个相干光束引导至所述准直光学元件。

4.如权利要求1所述的光束组合器，其中所述准直光学元件是透镜或镜子。

5.如权利要求1所述的光束组合器，其中所述准直光学元件是透镜，所述透镜包含具有折射率的材料，所述折射率以准直关系对应于所述入射角。

6.如权利要求1所述的光束组合器，其中所述准直光学元件是具有反射角的镜子，所述反射角以准直关系对应于所述入射角。

7.如权利要求6所述的光束组合器，其中所述镜子是弯曲的镜子。

8.如权利要求6所述的光束组合器，其中所述镜子是具有小平面的镜子。

9.如权利要求8所述的光束组合器，其中所述镜子具有多个小平面。

10.如权利要求8所述的光束组合器，其中所述镜子对每个相干光束具有一个小平面，且每个小平面具有一反射角，所述反射角对应于相对应的所述相干辐射光束的所述入射角。

11.如权利要求8所述的光束组合器，进一步包含聚焦光学元件。

12.如权利要求8所述的光束组合器，进一步包含搅模器。

13.如权利要求3所述的光束组合器，其中所述聚集光学元件是多个镜子，其中对每个相干光束包含一个镜子。

14.如权利要求3所述的光束组合器，其中所述聚集光学元件是环状反射器。

15.一种激光源，包含：

两个以上激光发射器，每个激光发射器被布置成朝向如权利要求1-14中任一项所述的光束组合器发射辐射光束。

16.如权利要求15所述的激光源，其中所述光束组合器进一步包含校正光学元件，所述校正光学元件减少所述组合光束的扭曲。

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