CN103894734A - 一种激光退火装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光退火装置，其特征在于，沿光路依次包括：激光器、准直系统、扩束系统、匀光系统、分光聚焦系统、步进单元、工件台单元、能量监测单元以及轮廓监测系统；其中，所述步进单元控制曝光光斑进行步进运动，所述工件台单元控制硅片进行扫描运动。本发明将工件台进行简化，工件台仅带动硅片进行扫描运动，而使最后的线性光斑（即分光聚焦系统）进行步进运动，从而可以降低工件台的结构设计复杂程度和成本；同时，由于分光聚焦系统在尺寸和空间大小上都远小于工件台，这样相应的导轨、电机以及冲击力和可靠性等都会有显著的简化，空间和成本得到显著的提高。本发明还公开了该激光退火装置的操作方法。

Description

一种激光退火装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种激光退火装置及其操作方法。

背景技术

近年来，广泛开展了对形成于玻璃等绝缘基底上的半导体膜使用激光退火技术，目的是晶化或提高结晶度，相变的结果是把非晶态材料转化为多晶或单晶态，这样使得离子注入后，掺入的杂质与晶体中的原子有序的排列组合，即改善了材料的电学特性。

对于激光退火技术的应用，经过光路最终成形到硅片面的线性光束或椭圆光斑大小一般在3X0.3mm左右，这就需要对硅片面进行扫描。传统的方法是在硅片承载面下安装有一个二维移动台（俗称工件台） 带动硅片在短轴方向上扫描和在长轴方向上步进，从而达到整个硅片面退火的需求。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，降低工件台的结构设计复杂程度和成本，改善激光退火装置的空间和成本。

本发明提出一种激光退火装置，其特征在于，沿光路依次包括：激光器、准直系统、扩束系统、匀光系统、分光聚焦系统、步进单元、工件台单元、能量监测单元以及轮廓监测系统；从激光器出射的激光，依次经过准直系统、扩束系统、匀光系统后，经分光聚焦系统入射到硅片上；小部分能量经分光后分别入射到能量监测单元和轮廓监测系统；其中，所述步进单元控制曝光光斑进行步进运动，所述工件台单元控制硅片进行扫描运动。

其中，所述步进单元控制分光聚焦系统进行步进运动。

其中，所述步进单元控制一扫描反射镜进行步进运动，所述扫描反射镜位于分光透镜和聚焦透镜之间。

其中，所述步进单元控制扫描反射镜进行扫描运动，所述工件台单元控制硅片进行步进运动。

其中，所述聚焦透镜为一平场透镜。

本发明还提出了该激光退火装置的操作方法，其特征在于包括如下步骤：

1) 工件台单元控制硅片运动到初始退火区域位置；

2）开启激光退火设备，工件台单元带动硅片在一个方向做扫描运动；

3）步进单元带动分光聚焦系统沿另一个方向步进到下一个退火区域；

4）重复步骤2）。

本发明将工件台进行简化，工件台仅带动硅片进行扫描运动，而使最后的线性光斑（即分光聚焦系统）进行步进运动，从而可以降低工件台的结构设计复杂程度和成本；同时，由于分光聚焦系统在尺寸和空间大小上都远小于工件台，这样相应的导轨、电机以及冲击力和可靠性等都会有显著的简化，空间和成本得到显著的提高。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1为本发明激光退火装置第一实施例结构示意图；

图2为本发明第一实施例中分光聚焦及步进系统结构示意图；

图3为本发明第一实施例中曝光扫描步进工作流程图；

图4为本发明激光退火装置第二实施例结构示意图；

图5为本发明第二实施例中平场透镜结构示意图；

图6为本发明第二实施例中曝光扫描步进工作流程图；

图7为本发明第二实施例中另一种曝光扫描步进工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，在本发明第一个实施例中，激光退火装置包括：激光器1、准直系统2、扩束系统3、匀光系统4、分光聚焦系统5、步进单元6、工件台单元7、能量监测单元8、轮廓监测系统9等组成。从光源激光器1出射的激光，依次经过准直系统2、扩束系统3、匀光系统4后，1%的能量透过分光聚焦系统5，入射到能量监测单元8。99%的能量经分光聚焦系统5后聚焦在硅片10上。硅片10表面具有一定的反射率，反射后的光经分光聚焦系统5，其中，99%按照原路返回，1%透过分光聚焦系统5后入射到轮廓监测系统9。

在整个曝光过程中，需要对硅片扫描步进，并保证退火的均匀性及重复性。由于光斑大小及能量均匀性的差异，在X和Y向的扫描步进速度会随着变化并且有一定的重叠率，并保证在扫描过程中速度的均匀性。图2为本发明第一实施例中分光聚焦及步进系统结构示意图。分光镜20和聚焦透镜22组成一个整体的分光聚焦系统5，其安装固定在步进单元6上。分光镜20和聚焦镜22固定在镜座21内，镜座21通过螺钉等安装固定在精密移动平台24上，精密电机23可驱动精密移动平台24运动，相应地带动镜座21在X向（即光束入射方向）运动，实现步进运动。在整个曝光退火过程中，曝光扫描步进工作流程如图3所示，整机自动控制硅片10运动到初始退火区域位置，激光器1能量开启，激光快门打开，执行脉冲激光退火，硅片10由工件台单元7带动在Y方向上做精密的扫描运动，一个退火区域扫描结束，激光快门关闭，步进单元6带动分光聚焦系统5步进到下一个退火区域，此时重新打开激光快门，而后再由工件台单元7带动硅片10扫描，如此循环，直到整片硅片退火完成，激光快门关闭，硅片传输系统进行硅片交接，进行下一片硅片曝光退火，如此循环。由于步进精度需求相对扫描精度低，对于步进单元，分光聚焦系统质量约为8Kg，外形尺寸小于Φ80mm，相对于硅片承载台的大小和质量都有较大的减少，从而对于相同的精度和性能需求，驱动分光聚焦系统作步进运动的步进运动台所需的转矩等明显偏小，这样我们可以选择外购符合精度要求的运动平台，这样就可以很好的降低设计难度和成本。

在本发明的激光退火装置中，工件台单元的结构得到了简化，工件台单元只保留一个方向上作扫描运动的结构，从而大大减少了.工件台单元的空间尺寸、结构和成本，其可靠性也将提高。曝光光斑作步进运动是由一个运动台带动分光聚焦系统在X向运动实现的，分光聚焦系统的大小不超过Φ80，质量约为8Kg，相对原来的步进承载体都大大的降低了，从而对运动台的需求也降低了，相应运动台的成本减少。

如图4所示，在本发明第二个实施例中，从光源激光器1出射的激光，依次经过准直系统2、扩束系统3、匀光系统4，1%的能量透过分光镜20，入射到能量监测单元8。99%的能量经分光镜20后，再经过扫描反射镜11反射后聚焦在硅片10上。硅片10表面具有一定的反射率，反射后的光经分光镜20，其中、99%按照原路返回，1%透过分光镜20后入射到轮廓监测系统9。

在整个曝光过程中的步进运动由扫描反射镜11来实现。曝光扫描步进工作流程如图6所示，在退火过程中，整机自动控制硅片10运动到初始退火区域位置，激光器1能量开启，激光快门打开，执行脉冲退火，硅片10由工件台单元7带动在Y方向上做精密的扫描运动，一个退火区域扫描结束，激光快门关闭，扫描电机12带动扫描反射镜11步进到下一个退火区域，此时重新打开激光快门，而后再由工件台单元7带动硅片10扫描，如此循环，直到整片硅片退火完成，激光快门关闭，硅片传输系统进行硅片交接，进行下一片硅片曝光退火，如此循环。由于普通聚焦透镜的像高与焦距和入射角成正比（即像高X =焦距f *入射角θ的正切值），不是线性关系，这就会导致当需要扫描反射镜旋转较大的角度时所产生的离焦非常明显，超过了焦深的范围，达不到使用要求。为此，可以使用平场透镜（即f-theta透镜，其产生的像高与入射角成正比）替代普通聚焦透镜进行聚焦，其产生的像点在一定范围内是保持在一个平面的，图5所示为平场透镜的结构原理图。相对于运动台，扫描反射镜具有反应占用面积小，处理能力快的特点，这样在保证一定均匀性的情况下，可以降低工件台的的设计难度、成本以及提高生产效率。

在本实施例的另一种曝光扫描步进工作流程中，如图7所示，利用扫描反射镜进行扫描运动，工件台作步进运动，这样能够更好的提高产率。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种激光退火装置，其特征在于，沿光路依次包括：激光器、准直系统、扩束系统、匀光系统、分光聚焦系统、步进单元、工件台单元、能量监测单元以及轮廓监测系统；从激光器出射的激光，依次经过准直系统、扩束系统、匀光系统后，经分光聚焦系统入射到硅片上；小部分能量经分光后分别入射到能量监测单元和轮廓监测系统；其中，所述步进单元控制曝光光斑进行步进运动，所述工件台单元控制硅片进行扫描运动。

2.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于所述步进单元控制分光聚焦系统进行步进运动。

3.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于所述步进单元控制一扫描反射镜进行步进运动，所述扫描反射镜位于分光透镜和聚焦透镜之间。

4.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于所述步进单元控制扫描反射镜进行扫描运动，所述工件台单元控制硅片进行步进运动。

5.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于所述聚焦透镜为一平场透镜。

6.如权利要求1-5之一所述的激光退火装置的操作方法，其特征在于包括如下步骤：

1) 工件台单元控制硅片运动到初始退火区域位置；

2）开启激光退火设备，工件台单元带动硅片在一个方向做扫描运动；

3）步进单元带动分光聚焦系统沿另一个方向步进到下一个退火区域；

4）重复步骤2）。

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