CN104347368A - 多激光的激光退火装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多激光的激光退火装置和方法，通过多通道延时控制器控制激光之间的延时和合束系统对多个激光合束，实现激光之间的脉冲互相叠加，在时间上按照一定的时间序列排列，形成一个较宽的激光脉冲，从而实现对激光的脉宽（脉冲宽度）进行展宽，这种脉宽展宽几乎没有能量的损耗，不会降低脉冲的峰值能量，且在整个脉宽范围内能量可以均匀分布，还可以根据需要随意调节脉宽。另外，还可通过频率调制系统对激光器的重复频率和偏振状态进行外部调制，降低对激光器的损伤。

Description

多激光的激光退火装置及方法
技术领域
本发明涉及一种多激光的激光退火装置及方法。
背景技术
在形成于玻璃等绝缘基底上的半导体膜使用激光退火技术的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，即改善材料的电学特性。
激光退火效果主要受到激光脉冲能量、激光脉宽，激光脉冲之间的延时的影响。对于不同的材料，最高激活率所需要的能量密度、脉冲宽度、脉冲之间的延时不同，这就需要激光器的能量、脉宽、和激光脉冲之间有尽可能大的调整量。然而，现有技术中，一般是激光脉宽和重复频率固定不可调节，或是只能利用部分反射的光学环形腔来展宽脉宽。
名称为“DOUBLE-PULSED LASER ANNEALING TECHNOLOGIESANDRELATEDAPPLICATIONS”的现有技术中采用两个脉冲激光合束，脉冲激光的重复频率1Khz，延时控制器控制两个脉冲激光器之间的延时，主要用于insulated gate bipolar transistors（IGBT）和low-temperature polycrystalline siliconthin-film transistors(LTPS-TFTs)的退火，可以实现2μm的退火深度。但是，该现有技术中激光器的重复频率固定，激光的脉宽不可调。
发明名称为“双光源的激光退火装置和方法”，公开号为“CN101217109A”的中国专利申请中，用于退火的激光光源波长在亚微米至微米量级，一个是激光光源，用于退火和形成超浅结，另一个为长波长的辅助加热热源，用于辅助性的加热。但是，该现有技术的激光的脉宽和重复频率均不可调，仅适用于超浅结退火。
发明名称为“双波长热流激光退火”，公开号为“CN102157375A”的中国专利申请中，第一光源是以CO2激光器作为线光源聚焦在硅晶片上，第二激光源以GaAs激光棒作为围绕线光束的更大光束聚焦到晶面上，两个光束在线光源的窄向同步扫描，产生在更大光束活化时由线光束产生窄加热脉冲。但是，该现有技术的激光的脉宽和重复频率均不可调，仅适用于超浅结的退火。
如图1所示，名称为“纳秒级激光脉冲展宽系统的分析及应用”的现有技术中，利用部分反射的光学环形腔，主要由分束镜(BS)、反射镜(M)组成。脉冲激光以45°入射到分束镜BS表面后被分束镜分为反射和透射两部分。透射光进入光学腔内并在腔内循环,每循环一周,将有一定的激光透射,透射率为(1-RBS)。这些透射光与第一次反射的激光在空间上相互重叠,在时间上按照一定的时间序列排列,形成一个较宽的激光脉冲,从而实现对激光脉宽的展宽。但是，该现有技术在激光脉宽展宽的过程中，能量损耗较大，且能量是从高到低，不是均匀分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多激光的激光退火装置及方法，能够实现激光之间的脉冲互相叠加，在时间上按照一定的时间序列排列，形成一个较宽的激光脉冲，从而实现对激光的脉宽（脉冲宽度）进行展宽。
为解决上述问题，本发明提供一种多激光的激光退火装置，包括：
多通道延时控制器；
分别与所述多通道延时控制器连接的多个激光器；
每个激光器的后续光路上设置有频率调制系统，用于控制各个激光器的激光脉冲通过频率调制系统后形成的出射光的重复频率和偏振状态；
分别设置于每个频率调制系统的后续光路上的合束系统，用于将所有频率调制系统的出射光合成一束激光脉冲；
设置于所述合束系统的后续光路上的光束整形系统，用于将合成一束的激光脉冲形成一矩形光斑；
用于放置硅片的工件台；
设置于所述光束整形系统的后续光路上的聚焦系统，用于将所述矩形光斑聚焦到所述硅片上，在所述硅片上形成预定尺寸的光束轮廓。
进一步的，在上述系统中，所述频率调制系统包括多个普克尔盒，所述多个普克尔盒每一个普克尔盒分别设置于一个激光器的后续光路上。
进一步的，在上述系统中，所述合束系统包括多个合束器，分别用于将多路激光束进行两两合束形成一束激光束脉冲。
进一步的，在上述系统中，所述合束器为偏振合束器、二向色激光光束合束器或多波长合束器中的任一种。
进一步的，在上述系统中，多波长合束器采用布拉格光栅合束镜。
进一步的，在上述系统中，还包括：设置于所述聚焦系统的后续光路上的监测系统，用于根据从所述聚焦系统收集的所述硅片反射光监测所述硅片上的光束轮廓、光束能量、光束脉宽和硅片面的反射率其中之至少一者。
进一步的，在上述系统中，所述多通道延时控制器可根据所述监测系统测得的所述光束能量控制所述多个激光器。
进一步的，在上述系统中，所述矩形光斑的一个方向是gauss分布，另一个方向是平顶分布。
根据本发明的另一面，提供一种多激光的激光退火装置，包括：
调节所述多通道延时控制器，以同时控制各个激光器按照预设的时间间隔发出激光；
调节频率调制系统，以控制各个激光器的激光脉冲通过频率调制系统后形成的出射光的重复频率和偏振状态；
所述合束系统将所有频率调制系统的出射光合成一束激光脉冲；
光束整形系统将合成一束的激光脉冲形成一矩形光斑；
聚焦系统将所述矩形光斑聚焦到所述硅片上，在所述硅片上形成预定尺寸的光束轮廓。
进一步的，在上述方法中，调节所述多通道延时控制器，以同时控制各个激光器按照预设的时间间隔发出激光的步骤中，
当需要使激光脉冲不重叠时，所述时间间隔为大于或等于激光脉宽长度；
当需要使激光脉冲重叠时，所述时间间隔为大于等于0且小于激光脉宽长度。
进一步的，在上述方法中，还包括监测系统根据从所述聚焦系统收集的所述硅片反射光监测所述硅片上的光束轮廓、光束能量、光束脉宽和硅片面的反射率其中之至少一者。
与现有技术相比，本发明通过多通道延时控制器控制激光之间的延时和合束系统对多个激光合束，实现激光之间的脉冲互相叠加，在时间上按照一定的时间序列排列，形成一个较宽的激光脉冲，从而实现对激光的脉宽（脉冲宽度）进行展宽，这种脉宽展宽几乎没有能量的损耗，不会降低脉冲的峰值能量，且在整个脉宽范围内能量可以均匀分布，还可以根据需要随意调节脉宽。
另外，本发明可通过频率调制系统对激光器的重复频率和偏振状态进行外部调制，降低对激光器的损伤。本发明可以使用任意波长的激光器，激光的脉宽和激光器的重复频率可以根据加工对象的材料和加工深度进行调节，适用于多种类型的激光退火；可以将多个同类型的低功率激光光源拼接成高功率的激光光源，突破目前激光器功率方面的技术障碍；可以采用多个不同类型、不同波长的激光光源拼接成全光谱范围的激光光源，突破目前激光器波长范围方面的技术障碍，满足应用需求，本发明原理简单，控制方便、灵活，可以适用于多种场景。
附图说明
图1现有的单腔式激光脉宽展宽示意图；
图2是本发明一实施例的多激光的激光退火装置的结构示意图；
图3是图2中的多通道延时控制器、激光器、频率调制系统和合束系统的结构示意图；
图4是本发明一实施例的多波长合束器的原理图；
图5是本发明一实施例的二向色激光光束合束器原理图
图6是本发明一实施例的采用偏振合束器的多激光的激光退火装置示意；
图7是本发明一实施例的激光脉冲不叠加的脉宽展宽效果图；
图8是本发明一实施例的激光脉冲互相叠加的脉宽展宽效果图；
图9是本发明一实施例的多激光的激光退火方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图2和3所示，本发明提供一种多激光的激光退火装置，包括：多通道延时控制器1、多个激光器21、22...、频率调制系统3、合束系统4、光束整形系统5、工件台6、聚焦系统8和监测系统9。
多通道延时控制器1，可以同时控制多个激光器21、22...，使激光器21、22...按照一定的时间间隔发出脉冲，延时间隔可调，可调范围从0ns-100μs。用多通道延时控制器1控制激光器的延时来实现展宽脉冲宽度，既可以脉冲之间互相叠加展宽，也可以脉冲不叠加展宽，不同的延时设置可以使激光的脉冲相互叠加，在不同的延时下，脉宽重叠率不同，可以实现不同的脉宽展宽效果。当需要使激光脉冲不重叠时，所述时间间隔为大于或等于激光脉宽长度；当需要使激光脉冲重叠时，所述时间间隔为大于等于0且小于激光脉宽长度，所述时间间隔只要不等于0都能实现脉宽展宽。
多个激光器21、22...分别与所述多通道延时控制器1连接。具体的，激光器21、22...中，基中一个激光器可以是一个是连续激光，其余激光器是脉冲激光，也可以所有的激光器都是脉冲激光，这些激光器可以是多种不同波长的激光器，激光波长可以从400nm到635nm，也可以从930nm到1100nm。另外，激光器可以是穿透深度较深的长波长激光器，也可以穿透深度很浅的超短脉冲激光器，长波激光和短波激光组合使用，可以控制加工对象的激活深度。
可选的，所述激光器按照各自产生的激光脉冲的波长由长到短的顺序依次排列，即实现以把长波长的脉冲放在前面，用于保温、预热处理，随波长变短，依次排列。如图2和3所示，如果5个激光器21、22、23、24、25，排在前面激光器的激光脉冲的波长较长，排在后面激光器的激光脉冲的较短。
频率调制系统3设置于每个激光器2的后续光路上，用于控制各个激光器2的激光脉冲通过频率调制系统3后形成的出射光的重复频率和偏振状态。
可选的，所述频率调制系统3包括多个（Q开关）普克尔盒31、32...，普克尔盒31、32...可以通过上电和放电，控制光通过或不通过来实现光的开闭，普克尔盒31、32...主要用来外部调制激光器的重复频率，可以任意控制出射光的重复频率，不会造成对激光器的损伤，还可以实现选择S偏振或P偏振光通过，从而实现选择输出光的偏振态。每一个普克尔盒分别设置于一个激光器2的后续光路上，普克尔盒的数量与激光器2的数量一致，如图2和3所示，如有5个激光器21、22、23、24、25，则相应有5个普克尔盒31、32、33、34、35。
合束系统4分别设置于每个频率调制系统3的后续光路上，用于将所有频率调制系统3的出射光合成一束激光脉冲。
可选的，所述合束系统4包括多个合束器41、42...，分别用于将多路激光束进行两两合束形成一束激光束脉冲，即合束器41、42...的数量为普克尔盒31、32...的数量-1。如图2和3所示，如果有5个普克尔盒31、32、33、34、35，则相应有5个合束器41、42、43、44，合束器41对普克尔盒31、32的出射光进行合束得到合束光1，合束器42对合束光1和普克尔盒33进行合束得到合束光2，合束器43对合束光2和普克尔盒34进行合束得到合束光3，合束器44对合束光3和普克尔盒35进行合束得到最终的一束激光脉冲。
具体的，所述合束器41、42...可为偏振合束器、二向色激光光束合束器或多波长合束器中的任一种，实现根据需要把任意波长的激光束合束。其中，多波长合束器采用布拉格光栅合束镜（BragGrateTMCombiner），布拉格光栅合束镜分为透射式和反射式两种，它可以对多种波长的激光进行和束。在合束的同时激光的光束质量也会得到极大的提高。布拉格光栅合束镜具有出色的机械属性与反射率，不受温度影响，可以承受高功率激光照射，是激光合束的理想元件。大功率半导体激光器的输出功率常常受限于工艺的发展无法提高，布拉格光栅频谱合束技术解决了这一难题，这一技术采用多个波长相近的激光器进行合束从而成倍的提高了激光器的输出功率。多波长合束器的合束原理如图4所示，其中VBG1、VBG2、VBG3和VBG4为多波长合束器，λ0、λ1、λ2、λ3和λ4为需要进行合束的光束，二向色激光光束合束器的合束原理如图5所示，其中#64-295、#64-294、#64-293、#64-292、#64-291、#64-290分别为二向色激光光束合束器，用于分别将635nm、561nm、514nm、488nm、440nm和405nm的光束进行合束。
光束整形系统5设置于所述合束系统4的后续光路上，用于将合成一束的激光脉冲形成一矩形光斑。如图1和2所示，光束整形系统5从最后一个合束器55获取合成一束的激光脉冲。具体的，所述矩形光斑的一个方向是gauss分布，另一个方向是平顶分布。
工件台6用于放置硅片7。
聚焦系统8设置于所述光束整形系统的后续光路上，用于将所述矩形光斑聚焦到所述硅片7上，在所述硅片7上形成预定尺寸的光束轮廓。具体的，整形后的光束经过聚焦系统8如聚焦透镜，把光斑聚焦到工件台6的硅片7上上，形成一定尺寸的长条形光斑，工件台6移动，光斑在硅片6上扫描，对硅片6进行退火加工。
监测系统9设置于所述聚焦系统8的后续光路上，用于根据从所述聚焦系统收集的所述硅片反射光监测所述硅片上的光束轮廓、光束能量、光束脉宽和硅片面的反射率其中之至少一者。具体的，经过多通道延时控制器1调制各个激光器之间的延时，使激光的脉冲相互叠加，实现脉宽展宽，从激光器21、22...出射的激光，依次经过频率调制系统3、合束系统4、光束整形系统5、聚焦系统8后在工件台6的硅片7上形成预定尺寸的光束轮廓，监测系统9用来监测工件台6的硅片7上的光束轮廓、光束能量、光束脉宽和硅片面的反射率。如图2所示，第一子监测系统91，用于监测所述光束轮廓和硅片面的反射率，第二子监测系统92用于监测光束能量和光束脉宽。通过检测硅片表面的反射率变化来判断硅片表面的状态（固态还是液态），通过激光束能量的监测可以控制曝光剂量，对光束轮廓和光束脉宽的监测可以确保光束在正常的状态下进行退火和加工。
优选的，所述多通道延时控制器可根据所述监测系统测得的所述光束能量控制所述多个激光器。
详细的，下面参照图6，主要对激光合束和脉宽展宽作详细介绍：
如图6所述，1为多通道延时控制器，211-218为激光器，311-324为普克尔盒，101-105为反射镜，411-417为偏振合束器。多通道延时控制器1与多个激光器211-218相连接，多通道延时控制器1可以控制激光器211-218依一定的时序发出脉冲。例如，多通道延时控制器1控制激光器212相对于激光器211延时100ns发出脉冲，激光器213相对于激光器211延时200ns发出脉冲，激光器214相对于激光器211延时300ns发出脉冲，依次类推，每个激光器之间都有一定的时间间隔发出脉冲，延时间隔可以根据实际需要调整，延时间隔可以设置为激光脉宽长度，激光脉冲不重叠，如图7所示，可以实现激光脉冲不叠加的脉宽展宽效果，另外，延时时间也可以设置成大于0且小于激光脉宽的其它宽度，可以实现如图8，为激光脉冲互相叠加的脉宽展宽效果。
在合束方面，普克尔盒可以控制出射光的偏振态，即出射光为P偏振还是S偏振，如图6所示，激光器211经过普克尔盒311后为P偏振光，激光器212经过普克尔盒312后为S偏振光，经过反射镜101实现光路弯折，用偏振合束器411把两束光合束。其它的各组激光器，激光器213和214，激光器215和216，激光器217和218也通过同样的方法合束，两两合束后的激光器再通过普克尔盒变换出射光的偏振态，在实现合束，这种方法可以实现任意多个激光器的合束。合束后的激光束再通过整形、聚焦等过程，实现激光退火的各项功能。
本实施例通过多通道延时控制器控制激光之间的延时和合束系统对多个激光合束，实现激光之间的脉冲互相叠加，在时间上按照一定的时间序列排列，形成一个较宽的激光脉冲，从而实现对激光的脉宽（脉冲宽度）进行展宽，这种脉宽展宽几乎没有能量的损耗，不会降低脉冲的峰值能量，且在整个脉宽范围内能量可以均匀分布，还可以根据需要随意调节脉宽。
另外，本实施例可通过频率调制系统对激光器的重复频率和偏振状态进行外部调制，降低对激光器的损伤，可以使用任意波长的激光器，激光的脉宽和激光器的重复频率可以根据加工对象的材料和加工深度进行调节，适用于多种类型的激光退火；可以将多个同类型的低功率激光光源拼接成高功率的激光光源，突破目前激光器功率方面的技术障碍；可以采用多个不同类型、不同波长的激光光源拼接成全光谱范围的激光光源，突破目前激光器波长范围方面的技术障碍，满足应用需求，本发明原理简单，控制方便、灵活，可以适用于多种场景。
实施例二
如图9所示，本发明还提供另一种多激光的激光退火方法，包括：
步骤S1，调节所述多通道延时控制器，以同时控制各个激光器按照预设的时间间隔发出激光，可选的，当需要使激光脉冲不重叠时，所述时间间隔为大于或等于激光脉宽长度；当需要使激光脉冲重叠时，所述时间间隔为大于等于0且小于激光脉宽长度；
步骤S2，调节频率调制系统，以控制各个激光器的激光脉冲通过频率调制系统后形成的出射光的重复频率和偏振状态；
步骤S3，所述合束系统将所有频率调制系统的出射光合成一束激光脉冲；
步骤S4，光束整形系统将合成一束的激光脉冲形成一矩形光斑；
步骤S5，聚焦系统将所述矩形光斑聚焦到所述硅片上，在所述硅片上形成预定尺寸的光束轮廓；
步骤S6，监测系统根据从所述聚焦系统收集的所述硅片反射光监测所述硅片上的光束轮廓、光束能量、光束脉宽和硅片面的反射率其中之至少一者。
本实施例二的其它详细内容具体可参见实施例中的相应部分，在此不再赘述。
综上所述，本发明通过多通道延时控制器控制激光之间的延时和合束系统对多个激光合束，实现激光之间的脉冲互相叠加，在时间上按照一定的时间序列排列，形成一个较宽的激光脉冲，从而实现对激光的脉宽（脉冲宽度）进行展宽，这种脉宽展宽几乎没有能量的损耗，不会降低脉冲的峰值能量，且在整个脉宽范围内能量可以均匀分布，还可以根据需要随意调节脉宽。
另外，本发明可通过频率调制系统对激光器的重复频率和偏振状态进行外部调制，降低对激光器的损伤。本发明可以使用任意波长的激光器，激光的脉宽和激光器的重复频率可以根据加工对象的材料和加工深度进行调节，适用于多种类型的激光退火；可以将多个同类型的低功率激光光源拼接成高功率的激光光源，突破目前激光器功率方面的技术障碍；可以采用多个不同类型、不同波长的激光光源拼接成全光谱范围的激光光源，突破目前激光器波长范围方面的技术障碍，满足应用需求，本发明原理简单，控制方便、灵活，可以适用于多种场景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种多激光的激光退火装置，其特征在于，包括：
多通道延时控制器；
分别与所述多通道延时控制器连接的多个激光器；
每个激光器的后续光路上设置有频率调制系统，用于控制各个激光器的激光脉冲通过频率调制系统后形成的出射光的重复频率和偏振状态；
分别设置于每个频率调制系统的后续光路上的合束系统，用于将所有频率调制系统的出射光合成一束激光脉冲；
设置于所述合束系统的后续光路上的光束整形系统，用于将合成一束的激光脉冲形成一矩形光斑；
用于放置硅片的工件台；
设置于所述光束整形系统的后续光路上的聚焦系统，用于将所述矩形光斑聚焦到所述硅片上，在所述硅片上形成预定尺寸的光束轮廓。
2.如权利要求1所述的多激光的激光退火装置，其特征在于，所述频率调制系统包括多个普克尔盒，所述多个普克尔盒每一个普克尔盒分别设置于一个激光器的后续光路上。
3.如权利要求1所述的多激光的激光退火装置，其特征在于，所述合束系统包括多个合束器，分别用于将多路激光束进行两两合束形成一束激光束脉冲。
4.如权利要求3所述的多激光的激光退火装置，其特征在于，所述合束器为偏振合束器、二向色激光光束合束器或多波长合束器中的任一种。
5.如权利要求4所述的多激光的激光退火装置，其特征在于，多波长合束器采用布拉格光栅合束镜。
6.如权利要求1所述的多激光的激光退火装置，还包括：设置于所述聚焦系统的后续光路上的监测系统，用于根据从所述聚焦系统收集的所述硅片反射光监测所述硅片上的光束轮廓、光束能量、光束脉宽和硅片面的反射率其中之至少一者。
7.如权利要求1所述的多激光的激光退火装置，其特征在于，所述多通道延时控制器可根据所述监测系统测得的所述光束能量控制所述多个激光器。
8.如权利要求1所述的多激光的激光退火装置，其特征在于，所述矩形光斑的一个方向是gauss分布，另一个方向是平顶分布。
9.一种多激光的激光退火方法，采用如权利要求1至7任一项所述的多激光的激光退火装置，其特征在于，包括：
调节所述多通道延时控制器，以同时控制各个激光器按照预设的时间间隔发出激光；
调节频率调制系统，以控制各个激光器的激光脉冲通过频率调制系统后形成的出射光的重复频率和偏振状态；
所述合束系统将所有频率调制系统的出射光合成一束激光脉冲；
光束整形系统将合成一束的激光脉冲形成一矩形光斑；
聚焦系统将所述矩形光斑聚焦到所述硅片上，在所述硅片上形成预定尺寸的光束轮廓。
10.如权利要求9所述的多激光的激光退火方法，其特征在于，调节所述多通道延时控制器，以同时控制各个激光器按照预设的时间间隔发出激光的步骤中，
当需要使激光脉冲不重叠时，所述时间间隔为大于或等于激光脉宽长度；
当需要使激光脉冲重叠时，所述时间间隔为大于等于0且小于激光脉宽长度。
11.如权利要求第9项所述的多激光的激光退火方法，还包括监测系统根据从所述聚焦系统收集的所述硅片反射光监测所述硅片上的光束轮廓、光束能量、光束脉宽和硅片面的反射率其中之至少一者。
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