CN104752174A - 一种激光退火装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光退火装置，包括：一工件台，用于承载一硅片；一激光光源，用于提供一退火激光光束；一光束整形单元，用于将所述激光光束入射至所述硅片，所述光束整形单元还包括一微镜阵列，用于对激光光束的功率在空间上进行重新分布。本发明同时公开了一种激光退火方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种逻辑器件的超浅结退火领域，尤其涉及一种激光退火装置及方法。
背景技术
快速热处理（RTP）、闪光灯退火和激光退火（LSA）都在努力实现半导体退火的最优化。其中，LSA只在很短的时间内在较小的区域内产生热量，其温度正好低于硅的熔点，冷却时间也是在很短时间内完成，整体驻留时间仅仅几百微秒，是更有效的无扩散工艺。根据应用需求，半导体器件的退火工艺需要更精确的温度控制和更佳温度及应力均匀性，通常是通过降低硅基底晶体内的热梯度，从而减小晶格间的热应力。例如逻辑器件超浅结USJ退火中，为了增大样品对二氧化碳激光能量的吸收，需要先在工件台上将样品加热到400oC，之后有一个预热阶段，目的是为了减小温度骤升引起的应力问题，将温度由400 oC预热到800~1100 oC，真正的退火过程温度要升高到1300 oC，经过一定的驻留时间，再以一定的速率冷却。可以看出，整个退火周期包括预热（800~1100 oC），退火（1300 oC）和冷却时间，约为10微秒，中间的瞬间高温的退火时间要小于热扩散时间，时间较短，根据具体工艺需求为ns纳秒或us微秒量级。
目前，为了达到上述的半导体器件退火温度需求，退火处理会选择DB-LSA（双激光器组合退火的）方式（装置如附图1所示，1为高功率激光器，27为预热激光器）。将高温退火激光器和低温预热激光器结合，形成附图4所示的光斑形貌对样品进行扫描退火。通过低功率预热激光器进行预热，中间的高功率激光器进行瞬间的退火，虽然可以达到较好的退火效果，但是这样无疑增大了工艺成本及复杂度，因为需要两个热源，并要对两束光斑进行组合和定位，并要在加热过程中保证两个激光器运动上的同步。
发明内容
本发明的目的在于提供可用于各类半导体器件退火的激光退火装置及方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种激光退火装置，包括：一工件台，用于承载一硅片；一激光光源，用于提供一退火激光光束；一光束整形单元，用于将所述激光光束入射至所述硅片，所述光束整形单元还包括一微镜阵列，用于对激光光束的功率在空间上进行重新分布。
更进一步地，所述对激光光束的功率在空间上进行重新分布具体为，在所述硅片表面形成一光斑，调节所述微镜阵列使得所述光斑由位于光斑中心的第一功率区和分别位于所述第一功率区两边的第二功率区和第三功率区组成。所述第一功率区的光功率密度大于所述第二功率区和第三功率区的光功率密度。所述第二功率区和第三功率区的光功率密度不相等。所述第二功率区和第三功率区的宽度大于所述第一功率区的宽度，所述第一功率区、第二功率区和第三功率区的长度相等。
更进一步地，该光束整形单元按照光束传播的方向依次包括一汇聚透镜、一前组透镜、所述微镜阵列以及一后组透镜。
更进一步地，所述工件台还包括一加热平台，所述硅片被放置于所述加热平台上。
更进一步地，所述微镜阵列由若干个光学反射镜面和外框组成，所述光学反射镜面和外框可分别沿相互垂直的两个方向转动。
本发明同时公开一种激光退火方法，包括：所述激光光束入射所述硅片，调节所述微镜阵列在所述硅片表面形成所述光斑；所述光斑和工件台产生相对移动，所述第三功率区到达硅片上一扫描区域进行预热，随着相对移动的继续，第一功率区到达所述扫描区域进行退火，最后第二功率区到达所述扫描区域进行保温。
更进一步地，所述激光光束入射至所述硅片前，通过一加热平台对所述硅片进行加热。
与现有技术相比较，本发明将原来需要两个激光光源叠加才能获得的退火效果用一个激光光源实现，优化激光退火工艺中的温度控制技术问题。本发明所提供的激光退火装置及方法，提出了先进的光斑整形技术，对高功率连续激光器进行光束整形，通过建立功率的空间分布和温度的时间分布的关系，通过对激光束空间分布的调节来控制退火过程中的温度，改进了现有的两激光器组和得到退火光斑的方法，提高了工艺适应性,降低了成本。本发明所获得的光斑达到了两个激光源（Preheat+LSA）的叠加效果,可以控制退火温度上升和下降的速率，减小温度骤变引发的应力问题。由于微镜阵列整形的灵活性，有利于光斑的实时调整，可以灵活调整对应变产生直接影响的工艺参数，包括温度、退火时间（光斑y向尺寸）。
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双激光退火装置的原理示意图；
图2是本发明所涉及的双激光退火装置的结构示意图；
图3是本发明所涉及的双激光退火装置的退火过程中的温度随时间的变化示意图；
图4是现有技术中所使用的双激光器组合退火装置的光斑形貌示意图；
图5是整个光斑的空间功率分布示意图；
图6是光斑的功率分布情况示意图；
图7是光束整形元件微镜阵列的示意图；
图8是现有技术中所使用的双激光器组合退火装置的结构示意图。
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。
本发明的目的希望提供一种激光退火装置，可用于各类半导体器件的退火。为了得到如图4中所示的光斑，本发明提供了一种更为先进的光斑整形技术，对高功率连续激光器进行光束整形，改进了现有的两激光器组和得到退火光斑的方法。
本发明所提供的激光退火装置如图2中所示。该激光退火装置包括：一个高功率激光器1，最大输出功率为4000W（具体的温度数值是以USJ退火为例说明的）。激光器输出光束2，光束2经过光学汇聚透镜3，汇聚在前组透镜4的焦点处，经过前组透镜4形成平行光束，照射在光学元件5表面。光学元件5为可对光束进行功率重新分布的元件，较佳地，如图7所示，该光学元件5为可进行双轴转动的微镜阵列，在不损失光功率的前提下，通过对每个单元的微小透镜的转角倾斜控制来调整微镜对光束的反射情况，从而可以形成光强或者光功率任意分布的光斑。经微镜阵列5反射的光束通过后组透镜6汇聚为光斑9，在需要退火的硅片17表面上，光束以布鲁斯特角入射，可减小反射引起的能量损耗，以减小退火中的图案效应。退火过程中，光斑和工件台产生相对运动。较佳地，光斑保持不动，光束为静止的，由工件台带动硅片17在y方向移动，以及在x方向步进，如附图5所示的退火路径。为了增大硅片17对激光器输出光束的能量吸收，本装置通过加热平台7先对硅片17加热到一定温度，较佳地为400~450 oC。
退火过程中的温度随时间的变化如附图3所示：先后经历了4个阶段，10阶段是通过工件台上的加热平台7将硅片温度加热至400~450 oC；11阶段时预热阶段，为了减小温度骤升引起的热应力，预热阶段结束后硅片温度升至800 oC；12阶段为瞬间高温退火阶段，硅片温度急剧上升，尖峰温度为1300 oC；13阶段为保温和冷却阶段，主要是为了控制温度冷却的速率。
较佳地，激光器1使用连续激光器，输出功率为4000W，经过光束整形，聚焦在硅片上的光斑的功率密度得到重新分布，同时又不损耗光功率。根据硅片上单位面积的温度和功率及时间的关系：
其中，T0是加热台温度，P是功率密度，t是时间，h是退火深度，ρ是硅片密度，A为一系数（常数），为了达到上述的温度变化曲线，本发明将激光器输出光束光斑最终整形为如附图4所示的光斑，光斑9包括第一功率区14、位于所述第一功率区两边的第二功率区15和第三功率区16。其中，第二功率区15和第三功率区16为较低功率密度分布，在整个退火过程中可以起到预加热和保温的作用，从而降低温度变化（上升和下降）梯度，总功率约为100W；第一功率区14为狭窄的光斑功率集中区，主要用于高温退火，总功率达到3500W，第一功率区14的功率密度大于第二功率区15和第三功率区16，整个光斑y向跨度即宽度为ω，第一功率区14的宽度为w0。较佳地，第二功率区15和第三功率区16的径向宽度大于第一功率区14的宽度，第一功率区、第二功率区和第三功率区的长度相等。整个光斑的空间功率分布如附图6所示，较低功率密度分布19与21对应第二功率区15和第三功率区16，狭窄的光斑功率集中区20对应第一功率区14。较佳地，第二功率区15和第三功率区16的光功率密度可以相等，也可以不相等，可根据实际需要调整微镜阵列5来达到所需的功率分布。
工件台y向扫描速度为ν，所以退火阶段的驻留时间为dwell Time=ω / ν，ω为光斑宽度，驻留时间可根据具体的工艺要求而定：在相同退火温度下，Dwell Time时间越长，使掺杂离子的激活率略微增加，但同时热扩散却随时间上升而上升，同时引起硅片翘曲增大，非预期的热扩散也会变大。扫描时，第三功率区16先到达扫描区域进行预热，防止温度过快上升，然后随着相对移动的继续，第一功率区14对该扫描区域进行退火，最后第二功率区15进行保温，防止温度过快下降。
附图7给出的是用于光束整形的光学元件5——微镜阵列的示意图，其中单个元件结构22如附图8所示：中间部分23为光学反射镜面，可绕轴24转动，另外有外框部分25可绕轴26转动。
与现有技术相比较，本发明将原来需要两个激光光源叠加才能获得的退火效果用一个激光光源实现。本发明所提供的激光退火装置及方法，提出了先进的光斑整形技术，对高功率连续激光器进行光束整形，改进了现有的两激光器组和得到退火光斑的方法。本发明所获得的光斑达到了两个激光源（Preheat+LSA）的叠加效果,可以控制退火温度上升和下降的速率，减小温度骤变引发的应力问题。由于微镜阵列整形的灵活性，有利于光斑的实时调整，可以灵活调整对应变产生直接影响的工艺参数，包括温度、退火时间（光斑y向尺寸）。
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 (10)
1.一种激光退火装置，其特征在于，包括：
一工件台，用于承载一硅片；
一激光光源，用于提供一退火激光光束；
一光束整形单元，用于将所述激光光束入射至所述硅片，所述光束整形单元还包括一微镜阵列，用于对激光光束的功率在空间上进行重新分布。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述对激光光束的功率在空间上进行重新分布具体为，在所述硅片表面形成一光斑，调节所述微镜阵列使得所述光斑由位于光斑中心的第一功率区和分别位于所述第一功率区两边的第二功率区和第三功率区组成。
3.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一功率区的光功率密度大于所述第二功率区和第三功率区的光功率密度。
4.如权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，所述第二功率区和第三功率区的光功率密度不相等。
5.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述第二功率区和第三功率区的宽度大于所述第一功率区的宽度，所述第一功率区、第二功率区和第三功率区的长度相等。
6.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述光束整形单元按照光束传播的方向依次包括一汇聚透镜、一前组透镜、所述微镜阵列以及一后组透镜。
7.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述工件台还包括一加热平台，所述硅片被放置于所述加热平台上。
8.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述微镜阵列由若干个光学反射镜面和外框组成，所述光学反射镜面和外框可分别沿相互垂直的两个方向转动。
9.一种采用权利要求3所述的激光退火方法，其特征在于，包括：所述激光光束入射所述硅片，调节所述微镜阵列在所述硅片表面形成所述光斑；所述光斑和工件台产生相对移动，所述第三功率区到达硅片上一扫描区域进行预热，随着相对移动的继续，第一功率区到达所述扫描区域进行退火，最后第二功率区到达所述扫描区域进行保温。
10.如权利要求9所述的激光退火方法，其特征在于，所述激光光束入射至所述硅片前，通过一加热平台对所述硅片进行加热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 201203 Shanghai Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area Zhang Road No. 1525 Applicant after: Shanghai microelectronics equipment (Group) Limited by Share Ltd Address before: 201203 Shanghai Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area Zhang Road No. 1525 Applicant before: Shanghai Micro Electronics Equipment Co., Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150701 |