CN104392914A - 双波长激光退火装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双波长激光退火装置及方法，包含绿光激光器和红外激光器，绿光激光器的输出光路上依次布置扩束模块、绿光条形光斑整形模块和绿光45度反光镜，红外激光器的输出光路上依次布置红外条形光斑整形模块和红外45度反光镜，绿光45度反光镜和红外45度反光镜的输出光路设置有合束投影聚焦镜，合束投影聚焦镜的输出光路设有可变光阑，可变光阑的输出端正对于加工平台。通过光学组件调节使两束激光合于一束，经光学元件间配合调节转换后，由高斯圆形分布转换为条形高斯分布，合束后激光为条形光斑；红外波长的引入，使光斑具有更深的退火深度，使激光作用在材料表面瞬间温度升高，提高注入离子的激活率，具有更优异的加工效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅晶圆背部激光退火设备，尤其涉及一种双波长激光退火装置及其方法。
背景技术
随着消费电子和家电业的飞速发展，高压集成电路的耐高压程度也在逐步提高，高压功率集成电路使得器件同时具备了双极器件的高跨导强负载驱动能力和CMOS集成度高、低功耗的优点。然而，由于该工艺的PSD(P型重掺杂区)和NSD(N型重掺杂区)工艺之后，有部分晶体排序不是有序的，而且不规则的，需要退火工艺来改变排序，提高激活率。传统工艺是采用石英玻璃的退火炉烘烤退火，由于铝基的熔点低，退火炉的温度只能小于450度，导致晶体吸收能量低，退火后激活率较低，由于成本较低，普遍被国内低端IGBT产业采用。
为了提高注入离子的激活率，激光退火开始被部分厂家采用，基于脉冲式可变脉宽的绿光激光器，掺杂后的离子激活率得到了显著提高，但是由于515nm激光器的波长较短，退火深度只能达到1μm级别，无法满足更深的退火工艺。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种可提高退火深度的双波长激光退火装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
双波长激光退火装置，特点是：包含绿光激光器和红外激光器，绿光激光器的输出光路上依次布置扩束模块、绿光条形光斑整形模块和绿光45度反光镜，红外激光器的输出光路上依次布置红外条形光斑整形模块和红外45度反光镜，绿光45度反光镜和红外45度反光镜的输出光路设置有合束投影聚焦镜，合束投影聚焦镜的输出光路设有可变光阑，可变光阑的输出端正对于加工平台。
进一步地，上述的双波长激光退火装置，其中，所述绿光激光器是绿光波段为515～532nm的调Q脉冲式绿光激光器。
更进一步地，上述的双波长激光退火装置，其中，所述红外激光器是波段为808～1070nm的半导体或光纤红外激光器。
更进一步地，上述的双波长激光退火装置，其中，所述扩束模块由共焦的凹透镜和凸透镜组成，两个透镜呈虚共焦结构。
更进一步地，上述的双波长激光退火装置，其中，所述合束投影聚焦镜旁设有用于测量激光光束到加工件表面高度的自动测高仪。
本发明双波长激光退火的方法，绿光激光器发出激光束经扩束模块扩束，扩束后的光束进入绿光条形光斑整形模块使输出的光束具有均匀的能量密度，继而，由绿光45度反光镜使光线路线折弯和传输；红外激光器发出的激光束进入红外条形光斑整形模块使输出的光束具有均匀的能量密度，继而，由红外45度反光镜使光线路线折弯和传输；绿光45度反光镜和红外45度反光镜反射的光束由合束投影聚焦镜聚焦为缩小的条形光斑，光斑在长轴为平顶分布，短轴为高斯分布，最后由可变光阑调整长轴条形光斑的长度，使能量分布为长条形激光光斑同时聚焦于加工件表面。
再进一步地，上述的双波长激光退火装置，其中，可变光阑调整条形光斑的长度为4mm，宽度为30μm。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①通过光学组件调节使两束激光合于一束，激光束经光学元件间配合调节转换后，由高斯圆形分布转换为条形高斯分布，合束后的激光为条形光斑，长轴大约4mm，短轴约为30μm，配合平台的Z型来回高速移动，实现深度＞3μm的退火工艺；
②红外波长的引入，使得光斑具有更深的退火深度，同时，红外激光的加入，使激光作用在材料表面瞬间温度升高，提高了注入离子的激活率，具有更优异的加工效果；
③双波长退火使退火深度达到3μm以上，离子掺杂的激活率进一步提高，相比于传统的高斯或者方形平顶光斑激光退火，本发明采用条形整形光斑使得退火均匀度更高，效率更快。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明的光路结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，双波长激光退火装置，包含绿光激光器11和红外激光器21，绿光激光器11的输出光路上依次布置扩束模块12、绿光条形光斑整形模块13和绿光45度反光镜3，红外激光器21的输出光路上依次布置红外条形光斑整形模块23和红外45度反光镜4，绿光45度反光镜3和红外45度反光镜4可以是一个分光镜，红外激光透过该反射镜，与反射的绿光激光合束，然后输出至后端的合束投影聚焦镜5，合束投影聚焦镜5的输出光路设有可变光阑6，可变光阑6的输出端正对于加工平台8。
其中，绿光激光器11是绿光波段为515～532nm的调Q脉冲式绿光激光器。红外激光器21是波段为808～1070nm的半导体或光纤红外激光器。
扩束模块12由共焦的凹透镜和凸透镜组成，输入镜将一个虚焦点光束传送给输出镜，两个透镜是虚共焦结构。
绿光条形光斑整形模块13由一个柱透镜组成，与球面透镜产生点聚焦光斑不同，柱透镜可产生一线型的光斑。
红外条形光斑整形模块23由一个柱透镜组成，可产生一线型的光斑。
45度反光镜的反射率大于98％，根据光线传播路线改变的需要，45度反光镜可任意设置于光束传播的路线上。当然，根据路线调节的需求，也可设有多个45度反光镜。
合束投影聚焦镜5镀膜设计用于350～700纳米的激光，以及650～1050纳米的激光，该合束投影聚焦镜对短轴的激光进行投影聚焦，使条形光斑作用在硅片及样品表面。合束投影聚焦镜5下方设置可变光阑6，为螺旋调节位移机构，调节范围为1～5mm。
合束投影聚焦镜5旁设有用于测量激光光束到加工件表面高度的自动测高仪9，用于退火硅片的高度适时监测，如果发现高度超出公差，系统会自动调整Z轴，使激光作用的能量密度保持高度一致性，从而保证退火均匀度。
XY运动平台通过直线电机的控制，在导轨上精确的进行二维移动，从而实现硅晶圆等材料的整幅面退火加工。
具体应用时，绿光激光器11发出激光束经扩束模块12扩束，扩束后的光束进入绿光条形光斑整形模块13使输出的光束具有均匀的能量密度，继而，由绿光45度反光镜3使光线路线折弯和传输；红外激光器21发出的激光束进入红外条形光斑整形模块23使输出的光束具有均匀的能量密度，继而，由红外45度反光镜4使光线路线折弯和传输；绿光45度反光镜3和红外45度反光镜4反射的光束由合束投影聚焦镜5聚焦为缩小的条形光斑，光斑在长轴为平顶分布，短轴为高斯分布，高斯光束的能量分布特点为中间高，边缘低；最后由可变光阑6调整长轴条形光斑的长度，条形光斑的长度为4mm，宽度为30μm，使能量分布为长条形激光光斑同时聚焦于加工件7的表面。合束投影聚焦镜有效焦距为100mm，平顶光斑的能量密度为3～5J/cm2。
通过光学组件调节使两束激光合于一束，激光束经光学元件间配合调节转换后，由高斯圆形分布转换为条形高斯分布，合束后的激光为条形光斑，长轴大约4mm，短轴约为30μm，配合平台的Z型来回高速移动，可以实现深度＞3μm的退火工艺。红外波长的引入，使得该光斑具有更深的退火深度，同时，红外激光的加入，使激光作用在材料表面瞬间温度升高，提高了注入离子的激活率，具有更优异的加工效果。
控制系统与自动测高系统、XY直线电机和运动导轨通信配合以实现样品的左右上下移动。控制系统包括工控机、运动控制卡、IO卡，高度采集卡、驱动器、高精度导轨、光栅尺、直线电机及气动元件。其中，IO卡与运动控制卡与PC集成，高精度导轨、直线电机、光栅尺设于作用面的下方，工控机扩展运动控制卡和振镜控制卡，与PC通讯控制平台及样品的高精度运动，样品位于多孔陶瓷上方，多空陶瓷与真空发生器连接，使硅片可以平整的吸附在陶瓷上方，配合XY平台的高精度运动，从而实现该设备做二维任意图形的退火扫描。优选地，平台扫描Y轴间距为2mm，X轴速度为100mm/s,扫描幅面可达300×300mm，配合高精度导轨运动，可以完成任意大小的硅片整片退火。在光学组件的各元件之间还可以添加有反光镜之类的用于改变传播路线但不会改变光束能量密度的光学反射器件，通过改变传播路线以便该激光退火装置的整体结构设置的便捷。
本发明采用条形光斑取代之前的小范围平顶光，单次退火面积从之前的30×30μm，提高到4mm×30μm，在X轴方向为典型的高斯分布，Y轴为平顶分布，均与性＜10％，在平台的XY轴配合下，可以获得极高的退火效率。改善退火效率，提高激光退火深度。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.双波长激光退火装置，其特征在于：包含绿光激光器和红外激光器，绿光激光器的输出光路上依次布置扩束模块、绿光条形光斑整形模块和绿光45度反光镜，红外激光器的输出光路上依次布置红外条形光斑整形模块和红外45度反光镜，绿光45度反光镜和红外45度反光镜的输出光路设置有合束投影聚焦镜，合束投影聚焦镜的输出光路设有可变光阑，可变光阑的输出端正对于加工平台。
2.根据权利要求1所述的双波长激光退火装置，其特征在于：所述绿光激光器是绿光波段为515～532nm的调Q脉冲式绿光激光器。
3.根据权利要求1所述的双波长激光退火装置，其特征在于：所述红外激光器是波段为808～1070nm的半导体或光纤红外激光器。
4.根据权利要求1所述的双波长激光退火装置，其特征在于：所述扩束模块由共焦的凹透镜和凸透镜组成，两个透镜呈虚共焦结构。
5.根据权利要求1所述的双波长激光退火装置，其特征在于：所述合束投影聚焦镜旁设有用于测量激光光束到加工件表面高度的自动测高仪。
6.权利要求1所述装置实现双波长激光退火的方法，其特征在于：绿光激光器发出激光束经扩束模块扩束，扩束后的光束进入绿光条形光斑整形模块使输出的光束具有均匀的能量密度，继而，由绿光45度反光镜使光线路线折弯和传输；红外激光器发出的激光束进入红外条形光斑整形模块使输出的光束具有均匀的能量密度，继而，由红外45度反光镜使光线路线折弯和传输；绿光45度反光镜和红外45度反光镜反射的光束由合束投影聚焦镜聚焦为缩小的条形光斑，光斑在长轴为平顶分布，短轴为高斯分布，最后由可变光阑调整长轴条形光斑的长度，使能量分布为长条形激光光斑同时聚焦于加工件表面。
7.根据权利要求6所述的双波长激光退火装置，其特征在于：可变光阑调整条形光斑的长度为4mm，宽度为30μm。
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