CN104078339B - 一种激光退火装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光退火装置和方法，其中，所述装置包括：激光源、光路部分、光路监测部分和运动部分；所述激光源为两个P极线偏振激光器；两个P极线偏振激光器发出的激光光束经光路部分后，再经一光束分离部分处理，之后分别以近布儒斯特角入射在运动部分的硅片表面。与现有技术相比，本发明采用两个P级线偏振激光器，先将激光器之一转化为S级偏振光，合成后经过光路处理部分，再将两束光进行分离，并将S级光束还原成P级光，最终都以布儒斯特角进行入射。这样既能保证两束激光均按照布儒斯特角入射，光路处理部分也不会太复杂，而激光能量的利用效率会大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种激光退火装置和方法。
背景技术
在半导体制作过程中，为了调节硅片表面局部区域的导电性能，广泛采用离子注入技术，对硅片表面的特定区域进行杂质掺杂。离子注入之后，由于所参杂杂质原子处于硅晶格中缺陷的状态，一般需要进行退火的处理，一方面消除参杂对于半导体材料晶格造成的损伤，另一方面能够有效地激活掺杂杂质。
目前激光退火普遍采用激光退火进行离子激活。一般激光退火装置主要包括：激光源、光路部分、光路监测部分和运动部分。如文献《双脉冲激光退火技术及应用》(DOUBLE-PULSED LASER ANNEALING TECHNOLOGIES AND RELATED APPLICATIONS)中所示，为了提高激光退火的效率，采用双激光器进行退火，通过控制两个激光器的延时，能够更加灵活的控制激光退火的温度和退火时间，从而适应更多的退火场景。其退火装置可参见图1，其主要包括两个YLF激光器，其激光光源通过可变衰减片后经过偏振分光镜合束，然后经过扩束部分扩束，后经过匀光，最后经过聚焦到达硅片表面。图1中，各个标识的定义为：1A：激光光源1；1B：激光光源2；102：可变衰减器1；103：可变衰减片2；104：1/2波片；105：偏振分光镜；106：准直扩束；107：匀光部分；108：反射镜；109：聚焦部分；110：硅片；111：运动台。
参照专利US7763828，为了提高退火效率，更高的提高激光能量利用率，其采用近布儒斯特角进行入射，这样，可以最大层度的降低硅片的反射率，提高硅片能量吸收效率。
文献《双脉冲激光退火技术及应用》所公开的技术方案中，虽然控制激光能量和温度比较灵活，但是由于垂直入射反射率大约在30％左右，熔化后反射率更是达到60％～70％，其激光利用率较低。专利US7763828所公开的技术方案中，虽然采用布儒斯特角进行入射，但对于双激光器IGBT退火。文献《双脉冲激光退火技术及应用》所公开的技术方案中，采用偏振分光镜进行合束，根据其合成原理，必须一路激光为P级线偏振，一路为S级线偏振，但根据布儒斯特原理，其入射光必须为P级线偏振激光。
发明内容
为了克服现有技术中存在的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种激光退火装置和方法，能提高激光退火能量利用效率。
为了实现上述发明目的，本发明公开一种激光退火装置，包括：激光源、光路部分、光路监测部分和运动部分；其特征在于，所述激光源为两个P极线偏振激光器；两个P极线偏振激光器发出的激光光束经光路部分后，再经一光束分离部分处理，之后分别以近布儒斯特角入射在运动部分的硅片表面。
更进一步地，所述激光源包括：用于提供第一P极线偏振激光光束的第一P极线偏振激光器、用于提供第二P极线偏振激光光束的第二P极线偏振激光器；所述第一P极线偏振激光光束经过第一1/2波片转化为第一S极线偏振激光光束；所述第一S极线偏振激光光束与所述第二P极线偏振激光光束依次经一合束器、准直扩束器、匀光器、分光镜后，再经所述光束分离部分进行处理。
更进一步地，所述光束分离部分进一步包括：偏振分光镜，用于将入射到其的第一S极线偏振激光光束、第二P极线偏振激光光束进行分离；第二1/2波片，用于将经所述偏振分光镜分离出的第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束；第二聚焦镜组，用于将经偏振分光镜分离出的第二P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面；以及第一聚焦镜组，用于将经第二1/2波片还原的第一P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面。
更进一步地，所述第一聚焦镜组、第二聚焦镜组均由若干反光镜、聚焦透镜组成。
更进一步地，还包括延时控制器，其用于控制两个P极线偏振激光器的时序，以使得首发的P极线偏振激光器入射时，硅片表面基本处于不熔化状态，而当次发的P极线偏振激光器入射时，硅片表面基本处于全熔化状态。
更进一步地，所述任一P极线偏振激光器的波长为400nm～600nm。
本发明同时提供一种激光退火方法，其特征在于，包括：提供第一P极线偏振激光器、第二P极线偏振激光器；上述两个P极线偏振激光器的激光光束经光路部分后，再经一光束分离部分处理，之后分别以近布儒斯特角入射在硅片表面上。
更进一步地，所述“上述两个P极线偏振激光器的激光光束经光路部分后，再经一光束分离部分处理”进一步包括：所述第一P极线偏振激光光束经过第一1/2波片转化为第一S极线偏振激光光束；所述第一S极线偏振激光光束与所述第二P极线偏振激光光束依次经过一合束器、准直扩束器、匀光器、分光镜后，再经所述光束分离部分进行处理。
更进一步地，所述“再经所述光束分离部分进行处理”进一步包括：偏振分光镜将入射到其的第一S极线偏振激光光束、第二P极线偏振激光光束进行分离；第二1/2波片将经所述偏振分光镜分离出的第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束；第二聚焦镜组将经所述偏振分光镜分离出的第二P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面；第一聚焦镜组将经所述第二1/2波片还原的第一P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面。
更进一步地，还包括：一延时控制器控制所述两个P极线偏振激光器的时序，使得首发的P极线偏振激光器入射时，硅片表面基本处于不熔化状态，而当次发的P极线偏振激光器入射时，硅片表面基本处于全熔化状态。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
第一，本发明采用两个P级线偏振激光器，先将激光器之一转化为S级偏振光，合成后经过光路处理部分，再将两束光进行分离，并将S级光束还原成P级光，最终都以布儒斯特角进行入射。这样既能保证两束激光均按照布儒斯特角入射，光路处理部分也不会太复杂，而激光能量的利用效率会大大提高。另外，由于硅片在液态时的反射率远大于固态时的反射率，故在保证最高温度的前提下，尽量增加硅片表面为固态的时间，也可以提高硅片吸收效率。
第二，本发明采用延时控制器控制两个激光器的出光时序，从而控制硅片的熔化时间点，即能保证硅片的吸收效率最高，也能保证硅片表面完全熔化，从而保证激活效率。
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是现有技术中所使用的激光退火装置的结构示意图；
图2是本发明具体实施例一种激光退火装置的结构示意图；
图3是本发明具体实施例光束轮廓监测和反射率变化监测单元与能量监测单元结构示意图；
图4是本发明具体实施例激光退火装置的激光退火时序图；
图5是本发明具体实施例入射角度与反射率关系图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
为了便于理解，下面对一些相关定义进行解释：
当光线以非垂直角度穿透光学元件(如分光镜)的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的，如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为P偏振；如果偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为S和P分量的矢量和。
自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角。光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。
激光退火过程中，由于硅片自身反射的问题，会造成大量激光能量浪费，特别是硅片表面熔化后，大部分激光能够都通过反射浪费掉，大约只有30％的激光能被吸收。现有技术中所使用的激光退火技术方案存在激光利用率低的缺陷。
本发明提出了一种激光退火装置，采用两个P级线偏振激光器，先将激光器一转化为S级偏振光，合成后经过光路处理部分，再将两束光进行分离，并将S级光束还原成P级光，最终都以布儒斯特角进行入射。这样既能保证两束激光均按照布儒斯特角入射，光路处理部分也不会太复杂，而激光能量的利用效率会大大提高。另外，由于硅片在液态时的反射率远大于固态时的反射率，故在保证最高温度的前提下，尽量增加硅片表面为固态的时间，也可以提高硅片吸收效率。
如图2中所示，激光退火装置主要包括激光源、光路部分、光束分离部分、光路监测部分和运动部分。
其中，激光源包括用于提供第一P极线偏振激光光束的第一P极线偏振激光器2A、用于提供第二P极线偏振激光光束的第二P极线偏振激光器2B。
光路部分包括：第一可变衰减单元203A、第二可变衰减单元203B、第一1/2波片205、合束器206、准直扩束器207、匀光器208、分光镜209；
光束分离部分包括：偏振分光镜212、第二1/2波片213、第一聚焦镜组、第二聚焦镜组；第一聚焦镜组包括：第一反射镜214、第一聚焦透镜218；第二聚焦镜组包括：第二反射镜215、第三反射镜216、第二聚焦透镜217。
运动部分包括：工件台220以及放置其上的硅片219。
光路检测部分包括：能量监测单元211，光束轮廓监测和反射率变化监测单元210。
其中，激光光源必须是完全线偏振光源，任一P极线偏振激光器的波长可为400nm～600nm。在本实施例中，激光光源采用532nm激光光源。第一P极线偏振激光器2A、第二P极线偏振激光器2B为激光退火装置提供退火能量。
第一P极线偏振激光光束经过第一可变衰减单元203A、第一1/2波片205后转化为第一S极线偏振激光光束；第二P极线偏振激光光束经过第二可变衰减单元203B；之后，第一S极线偏振激光光束与第二P极线偏振激光光束先依次经过合束器206、准直扩束器207、匀光器208、分光镜209，再进入光束分离部分进行处理。匀光器主要由柱面镜和单方向微透镜阵列构成，经过匀光器后，其光斑最终成形为1线条型光斑，其中长方向光斑为均匀分布，而短方向光斑为近高斯分布。最后光斑经过光束分离部分成形在硅片219表面上，通过工件台220带动硅片扫描进行大面积退火。
其中，光束分离部分的处理包括：偏振分光镜212将入射到其的第一S极线偏振激光光束、第二P极线偏振激光光束进行分离；第二1/2波片213将经偏振分光镜212分离出的第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束；第二聚焦镜组将经偏振分光镜212分离出的第二P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面。具体为：第二P极线偏振激光光束经过偏振分光镜212投射，最后经过第二反射镜215、第三反射镜216以及第二聚焦透镜217后以入射角θ入射到硅片面，其中θ为硅片液态时近布儒斯特角。
第一聚焦镜组将经第二1/2波片213还原的第一P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面。具体为：第一S极线偏振激光光束经过偏振分光镜212反射，入射到第二1/2波片213，将S极偏振光还原成P极线偏振光，然后经过第一反射镜214入射到第一聚光透镜218，最终按照入射角θ入射到硅片面。
如图2所示，入射角θ分别为硅片的近布儒斯特角，由布儒斯特角原理可知，当P极线偏振激光按照布儒斯特角进行入射时，其反射率接近于0，图5为实测的硅片反射率与入射角度的关系，对于波长532nm激光，其布儒斯特角大约为75度。其具体数据参见表格1。
| 入射角(°) | 反射率(％) |
| 0 | 34.27 |
| 68 | 6.49 |
| 70 | 4.83 |
| 71 | 4.16 |
| 72 | 3.82 |
| 73 | 3.48 |
| 74 | 3.30 |
| 75 | 3.24 |
| 76 | 3.26 |
| 77 | 3.24 |
| 78 | 3.60 |
| 79 | 5.73 |
| 80 | 10.00 |
表1反射率测试数据
图中210为光束轮廓监测和反射率变化监测单元，其光源主要来自于激光经硅片面的反射光。如通过第一聚焦镜组路径入射到硅片表面的光线，可沿第二聚焦镜组路径反向返回后通过分光镜209入射到光束轮廓监测和反射率变化监测部分210，以作为210的光源。反之亦然。其光路类似一成像系统，将硅片面上的光斑成像在一CCD上，通过图像处理方法获取光斑大小，而配合分光镜分出一路激光观察返回来的激光的光强变化，就可以知道硅片表面的当前反射率的变化，通过反射率监测，可以实时获取当前的硅片反射率，从而判断当前入射角是否为最佳入射角。
图中211为能量监测单元，其经过分光镜209后的激光经过聚焦后入射到能量探测器，通过能量采集控制电路获取当前激光能量，能够实时监测当前能量大小，并且通过能量监测判断退火过程中是否有异常。
图3是光束轮廓监测和反射率变化监测单元与能量监测单元结构示意图。如图3中所示，经过分光镜209后的反射激光一部分进入分光镜303，另一部分进入聚焦透镜401。通过分光镜303后一束光束经过聚焦透镜304被CCD探测器305所探测，另一光束经过聚焦透镜302被光电探测器301所探测。进入聚焦透镜402的光束被能量探测器402所探测。
要保证激光利用率最高，并且激活效率最高，就要控制两个激光的时序，保证首发的P极线偏振激光器(如第一P极线偏振激光器2A)入射时，硅片表面基本处于不熔化状态，而当次发的P极线偏振激光器(如第二P极线偏振激光器2B)入射时，硅片表面基本处于全熔化状态，如图4所示，其时序主要采用延时控制器控制。其中t0为第一个激光器脉冲开始时刻，t1为激光脉冲结束时刻，t2为第二个激光器脉冲开始时刻，t3为第二个脉冲结束时刻，t4为硅片开始熔化时刻，t4的具体时刻需要通过观察反射率变化以及激活效率实验获取。
本实施例还公开了一种激光退火方法，包括：提供第一P极线偏振激光器、第二P极线偏振激光器；上述两个P极线偏振激光器的激光光束经光路部分后，再经一光束分离部分处理，之后分别以近布儒斯特角入射在硅片表面上。一延时控制器控制所述两个P极线偏振激光器的时序，使得首发的P极线偏振激光器入射时，硅片表面基本处于不熔化状态，而当次发的P极线偏振激光器入射时，硅片表面基本处于全熔化状态。
其中，上述“上述两个P极线偏振激光器的激光光束经光路部分后，再经一光束分离部分处理”进一步包括：所述第一P极线偏振激光光束经过第一1/2波片转化为第一S极线偏振激光光束；所述第一S极线偏振激光光束与所述第二P极线偏振激光光束依次经过一合束器、准直扩束器、匀光器、分光镜后，再经所述光束分离部分进行处理。
其中，所述“再经所述光束分离部分进行处理”进一步包括：偏振分光镜将入射到其的第一S极线偏振激光光束、第二P极线偏振激光光束进行分离；第二1/2波片将经所述偏振分光镜分离出的第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束；第二聚焦镜组将经所述偏振分光镜分离出的第二P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面；第一聚焦镜组将经所述第二1/2波片还原的第一P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面。
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，包括：激光源、光路部分、光路监测部分和运动部分；其特征在于，所述激光源为两个P极线偏振激光器，分别用于提供第一P极线偏振激光光束和第二P极线偏振激光光束；
所述光路部分包括：第一可变衰减单元、第二可变衰减单元、第一1/2波片、合束器、准直扩束器、匀光器、分光镜；
第一P极线偏振激光光束经过第一可变衰减单元、第一1/2波片后转化为第一S极线偏振激光光束；第二P极线偏振激光光束经过第二可变衰减单元；之后，第一S极线偏振激光光束与第二P极线偏振激光光束先依次经过合束器、准直扩束器、匀光器、分光镜后，再经一光束分离部分处理，将第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束，第一P极线偏振激光光束和第二P极线偏振激光光束分别以近布儒斯特角入射在运动部分的硅片表面；
所述激光退火装置还包括一延时控制器，通过设置所述延时控制器控制两个P极线偏振激光器的时序，以使得首发的P极线偏振激光光束入射时，硅片表面基本处于不熔化状态，而当次发的P极线偏振激光光束入射时，硅片表面基本处于全熔化状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束分离部分进一步包括：
偏振分光镜，用于将入射到其的第一S极线偏振激光光束、第二P极线偏振激光光束进行分离；
第二1/2波片，用于将经所述偏振分光镜分离出的第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束；
第二聚焦镜组，用于将经偏振分光镜分离出的第二P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面；以及
第一聚焦镜组，用于将经第二1/2波片还原的第一P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一聚焦镜组、第二聚焦镜组均由若干反光镜、聚焦透镜组成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个P极线偏振激光器发出的光的波长为400nm～600nm。
5.一种激光退火方法，其特征在于，包括：提供第一P极线偏振激光器、第二P极线偏振激光器；
第一P极线偏振激光光束经过第一可变衰减单元、第一1/2波片后转化为第一S极线偏振激光光束；第二P极线偏振激光光束经过第二可变衰减单元；之后，第一S极线偏振激光光束与第二P极线偏振激光光束先依次经过合束器、准直扩束器、匀光器、分光镜后，再经一光束分离部分处理，将第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束，第一P极线偏振激光光束和第二P极线偏振激光光束分别以近布儒斯特角入射在硅片表面上；一延时控制器控制所述两个P极线偏振激光器的时序，使得首发的P极线偏振激光光束入射时，硅片表面基本处于不熔化状态，而当次发的P极线偏振激光光束入射时，硅片表面基本处于全熔化状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述“再经所述光束分离部分进行处理”进一步包括：
偏振分光镜将入射到其的第一S极线偏振激光光束、第二P极线偏振激光光束进行分离；
第二1/2波片将经所述偏振分光镜分离出的第一S极线偏振激光光束还原成第一P极线偏振激光光束；
第二聚焦镜组将经所述偏振分光镜分离出的第二P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面；
第一聚焦镜组将经所述第二1/2波片还原的第一P极线偏振激光光束以近布儒斯特角入射到硅片表面。
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