CN104762665A - 激光加工装置及系统、晶圆加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光加工装置及系统、晶圆加工系统，通过激光器、扩束镜、反光镜、聚焦镜、积分棒和聚束透镜组的组合，使激光光束产生匀化后的光斑，其中，积分棒可以将来自聚焦镜的高斯分布的光束进行匀化，通过聚束透镜组将匀化后的激光束斑缩小后，在半导体晶圆上进行光栅式扫描，完成对晶圆的加工。本发明的激光加工装置及系统、晶圆加工系统结构简单，成本低廉，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工装置及系统、晶圆加工系统。
背景技术
在最近几十年中，集成电路制造遵循莫尔定律，经历了飞速的增长，集成电路的发展带动了整个电子产业的不断进步。电子产业的发展日新月异，已经成为了带动国家经济增大的一大引擎。不过由于集成电路制造精细度的不断提高，也带来了极小尺寸工艺技术方面的极大困难与挑战。
目前，极大规模集成电路制造已经进入了32nm及以下的阶段，对于32nm的技术节点而言，由于短沟道效应的影响，如果要继续得到性能不劣化的基础MOS器件，就要求NMOS管和PMOS管的源、漏的结深至少小于20nm，也就是提出了制作超浅结的要求。
由于氧化增强扩散与瞬时增强扩散以及固溶度的限制，传统的快速热退火(RTA)已很难满足制作超浅结的要求。为了解决这个问题，人们研究了一些新的退火技术来替代RTA，如：闪速灯光退火(Flash Lamp Annealing或FLA)、固相激光脉冲退火(Solid-Phase LaserSpike Annealing或LSA)、液相激光脉冲退火(Liquid-Phase Laser Thermal Process或LTP)，以及低温固相外延(Solid-Phase Epitaxial Recrystallization或SPER)等。其中，激光退火技术在半导体加工领域已经显示出了很好的应用前景。
激光加工技术除了在功率半导体器件的背面处理、超浅结形成、以及薄膜晶体管制备技术中，都发挥着重要的作用之外，在合成硅化物薄膜、晶圆表面除杂除湿方面也有不可替代的优势。比如在合成钛硅化物薄膜应用中，只有在三个C49相钛硅的晶粒交界处，才能得到电阻率更小的C54相钛硅。现有技术采用快速退火工艺，其获得的C49相钛硅的晶粒为110nm左右，极大地限制了钛硅在0.25um以下线宽工艺中的应用。而激光加工技术获得的C49相钛硅的晶粒可以达到22nm左右，以便在细线宽工艺中获得更小电阻率的C54相钛硅膜。
因此，如何提供一种激光加工装置，将激光退火工艺应用于半导体晶圆的加工过程中，是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种激光加工装置及系统、晶圆加工系统，采用积分棒匀化激光束，并引入晶圆加工腔室，以对晶圆进行光栅式扫描，完成对晶圆的加工。
为实现上述目的，本发明提供一种激光加工装置，用于对半导体晶圆进行激光扫描加工，其包括：
激光器，用于产生激光光束；
扩束镜，用于调整激光器发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜，用于改变来自扩束镜的光束的方向并对准聚焦镜；
聚焦镜，用于将来自反射镜的光束聚焦在积分棒的入射面中心；
积分棒，用于匀化来自聚焦镜的光束；
聚束透镜组，用于将来自积分棒的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对半导体晶圆进行激光扫描加工。
本发明还提供一种激光加工系统，其包括：
激光加工腔室，其具有用于承载晶圆的工件台；
激光加工装置，用于对激光加工腔室内的晶圆进行激光扫描加工，所述激光加工装置包括：
激光器，用于产生激光光束；
扩束镜，用于调整激光器发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜，用于改变来自扩束镜的光束的方向并对准聚焦镜；
聚焦镜，用于将来自反射镜的光束聚焦在积分棒的入射面中心；
积分棒，用于匀化来自聚焦镜的光束；
聚束透镜组，用于将来自积分棒的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对晶圆进行激光扫描加工；
进出片真空锁，与所述激光加工腔室通过隔离阀相连，用于放置激光加工前后的晶圆。
进一步地，所述激光加工系统还包括抽真空装置，分别与进出片真空锁和激光加工腔室相连并分别控制其内部气压。
进一步地，所述激光加工系统还包括传片机构，用于将晶圆在所述进出片真空锁和激光加工腔室之间传递。
进一步地，所述工件台具有驱动装置，以驱动工件台沿着x、y或/和z方向运动。
进一步地，所述激光器、扩束镜、反光镜、聚焦镜和积分棒位于激光加工腔室外部，所述聚束透镜组位于激光加工腔室内部。
本发明还提供一种晶圆加工系统，其包括：
进片真空锁，用于接收放置晶圆；
金属溅射腔室，与所述进片真空锁通过隔离阀相连，用于接收晶圆，以对晶圆进行金属溅射而形成金属薄膜；
激光加工腔室，与所述金属溅射腔室通过隔离阀相连，用于接收金属溅射后的晶圆；
激光加工装置，用于对激光加工腔室内的晶圆进行激光扫描加工，所述激光加工装置包括：
激光器，用于产生激光光束；
扩束镜，用于调整激光器发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜，用于改变来自扩束镜的光束的方向并对准聚焦镜；
聚焦镜，用于将来自反射镜的光束聚焦在积分棒的入射面中心；
积分棒，用于匀化来自聚焦镜的光束；
聚束透镜组，用于将来自积分棒的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对晶圆进行激光扫描加工；
出片真空锁，与所述激光加工腔室通过隔离阀相连，用于接收激光扫描后的晶圆。
进一步地，所述晶圆加工系统还包括抽真空装置，分别与进片真空锁、金属溅射腔室、激光加工腔室和出片真空锁相连并分别控制其内部气压。
进一步地，所述激光器、扩束镜、反光镜、聚焦镜和积分棒位于激光加工腔室外部，所述聚束透镜组位于激光加工腔室内部。
进一步地，所述晶圆加工系统还包括多个传片机构，用于将晶圆在所述进片真空锁、金属溅射腔室、激光加工腔室和出片真空锁之间传递。
进一步地，所述晶圆加工系统还包括：
清洗装置，用于对激光扫描后的晶圆进行湿法漂洗，去除未反应金属，并清洗干燥；
RTA(快速热退火)装置，用于对清洗后的晶圆进行退火处理。
本发明提供的激光加工装置及系统、晶圆加工系统，通过激光器、扩束镜、反光镜、聚焦镜、积分棒和聚束透镜组的组合，使激光光束产生匀化后的光斑，其中，积分棒可以将来自聚焦镜的高斯分布的光束进行匀化，通过聚束透镜组将匀化后的激光束斑缩小后，在半导体晶圆上进行光栅式扫描，完成对晶圆的加工。此外，晶圆加工系统中各腔室可抽真空或充惰性气体，以满足不同的需求。本发明的激光加工装置及系统、晶圆加工系统结构简单，成本低廉，使用方便。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1是本发明激光加工装置的一实施例结构示意图；
图2是本发明激光加工系统的一实施例结构示意图；
图3是本发明晶圆加工系统的一实施例结构示意图。
具体实施方式
本发明的实施例中的激光加工装置、激光加工系统、晶圆加工系统用于对半导体晶圆进行激光扫描加工等处理，该晶圆可以经过前道金属化工艺后。下述实施例以在晶圆表面制备钛硅薄膜为例，但不以此为限，在其他实施例中，本发明的装置和系统还可用于制备其他金属-硅薄膜或其他半导体晶圆的激光扫描加工工艺。
请参阅图1，本实施例的激光加工装置包括：
激光器1，用于产生激光光束；
扩束镜2，用于调整激光器1发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜3，用于改变、调整来自扩束镜2的光束的方向并对准聚焦镜4；
聚焦镜4，用于将来自反射镜3的光束聚焦在积分棒5的入射面中心；
积分棒5，用于匀化来自聚焦镜4的光束，由于聚焦后的激光束以不同的角度进入积分棒5，在积分棒5内反复折射后以不同的路程达到积分棒5的出口，使得积分棒5的出口处的激光束得到匀化；
聚束透镜组6，用于将来自积分棒5的光束的光斑缩小，以满足激光加工中对激光功率密度的要求，并将产生的激光光束对半导体晶圆进行激光扫描加工。
本实施例的激光加工装置产生的激光光束可以以光栅方式扫描已溅射有钛膜的晶圆，得到小晶粒的C49相钛硅膜。
本实施例中，激光器1可以是大功率激光器，以为激光加工提供足够能量。其他组件也可以根据实际需求在现有设备中进行选择、调整。
请参阅图2，本实施例的激光加工系统利用了上述激光加工装置，其包括：
激光加工腔室7，其具有用于承载晶圆8的工件台9；
激光加工装置，用于对激光加工腔室7内的晶圆8进行激光扫描加工，激光加工装置包括：
激光器1，用于产生激光光束；
扩束镜2，用于调整激光器1发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜3，用于改变来自扩束镜2的光束的方向并对准聚焦镜4；
聚焦镜4，用于将来自反射镜3的光束聚焦在积分棒5的入射面中心；
积分棒5，用于匀化来自聚焦镜4的光束；
聚束透镜组6，用于将来自积分棒5的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对晶圆8进行激光扫描加工；
进出片真空锁10，与激光加工腔室7通过隔离阀相连，用于放置激光加工前后的晶圆。
为了使进出片真空锁和激光加工腔室内达到需要的气压，本实施例较佳地还包括抽真空装置11，分别与进出片真空锁10和激光加工腔室7相连并分别控制其内部气压。
在一个较佳实施例中，激光加工系统还包括传片机构，用于将晶圆在所述进出片真空锁和激光加工腔室之间传递。
在一个较佳实施例中，工件台具有驱动装置，以驱动工件台沿着x、y或/和z方向运动。
在本实施例中，激光器、扩束镜、反光镜、聚焦镜和积分棒位于激光加工腔室外部，聚束透镜组位于激光加工腔室内部。实际应用中，可以对这些组件的位置进行调整。激光加工装置可以整体设于激光加工腔室内，也可以部分设于激光加工腔室内，连接方式可以是其中的某个部件与激光加工腔室相连，也可以不直接连接，只要能使光束传递并照射到晶圆表面而能对晶圆进行激光扫描加工即可。
请参阅图3，本实施例的晶圆加工系统包括：
进片真空锁33，用于接收放置晶圆；
金属溅射腔室30，与进片真空锁33通过第一隔离阀34相连，用于接收晶圆，以对晶圆进行金属溅射而形成金属薄膜；
激光加工腔室27，与金属溅射腔室30通过第二隔离阀35相连，用于接收金属溅射后的晶圆；
激光加工装置，设于激光加工腔室27，用于对激光加工腔室27内的晶圆进行激光扫描加工，激光加工装置包括：
激光器21，用于产生激光光束；
扩束镜22，用于调整激光器21发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜23，用于改变来自扩束镜22的光束的方向并对准聚焦镜24；
聚焦镜24，用于将来自反射镜23的光束聚焦在积分棒25的入射面中心；
积分棒25，用于匀化来自聚焦镜24的光束；
聚束透镜组26，用于将来自积分棒25的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对晶圆进行激光扫描加工；
出片真空锁37，与激光加工腔室27通过第三隔离阀36相连，用于接收激光扫描后的晶圆。
为了使进片真空锁、金属溅射腔室、激光加工腔室和出片真空锁内达到需要的气压，本实施例较佳地还包括抽真空装置，分别与进片真空锁、金属溅射腔室、激光加工腔室和出片真空锁相连并分别控制其内部气压。具体地，如图3所示，进片真空锁33和出片真空锁37分别通过真空阀门与第一机械泵45相连，激光加工腔室27通过真空阀门与第一分子泵42相连，金属溅射腔室30通过真空阀门与第二分子泵43相连，第一分子泵42和第二分子泵43分别与第二机械泵44相连。
在一个较佳实施例中，晶圆加工系统还包括多个传片机构，用于将晶圆在进片真空锁、金属溅射腔室、激光加工腔室和出片真空锁之间传递。图3中还显示了晶圆的进片盒40以及第一机械手38，以将晶圆放入进片真空锁33内，以及显示了晶圆的出片盒31以及第二机械手39，以将晶圆从出片真空锁37内取出。
本实施例中，激光加工腔室内具有激光加工工件台28，金属溅射腔室内具有金属溅射工件台32，传片机械手41用于将晶圆在上述两个工件台之间传递。其中，激光加工工件台28还可具有驱动装置，以驱动工件台沿着x、y或/和z方向运动。
在本实施例中，激光器、扩束镜、反光镜、聚焦镜和积分棒位于激光加工腔室外部，聚束透镜组位于激光加工腔室内部。实际应用中，可以对这些组件的位置进行调整。
为了对晶圆进行后续加工处理，在一个较佳实施例中，晶圆加工系统还包括：
清洗装置，用于对激光扫描后的晶圆进行湿法漂洗，去除未反应金属，并清洗干燥；
RTA(快速热退火)装置，用于对清洗后的晶圆进行退火处理。
利用图3中晶圆加工系统的晶圆加工过程具体包括：
1.系统准备状态：三个隔离阀34、35、36全都处于关闭状态，进片真空锁33为大气状态且进片阀打开；金属溅射腔室为高真空，气压10-4Pa；激光加工腔室为高真空，气压低于10-3Pa；出片真空锁为低真空状态。
2.将晶圆从进片盒40送入金属溅射腔室30：进片盒40下降，使晶圆刚好落在第一机械手38上；第一机械手38将晶圆送入进片真空锁33后退出，进片阀关闭；进片真空锁33内抽真空达到要求后，关闭进片真空锁33抽气真空阀门，第一隔离阀34打开；传片机构将晶圆送到金属溅射工件台上，第一隔离阀34关闭。
3.溅射金属钛膜：当第二分子泵43将金属溅射腔室30的真空抽到10-4Pa后，充入一定量的氩气并加射频电压，利用磁控溅射方式，在晶圆表面得到一层金属钛薄膜。
4.将晶圆送入激光加工腔室27：关射频电压，停止充氩气；激光加工工件台28向金属溅射工件台32方向平移至第二隔离阀35旁；第二隔离阀35打开，传片机械手41将晶圆从金属溅射工件台32传送至激光加工工件台38后回到金属溅射腔室30；第二隔离阀35关闭。
5.激光扫描晶圆：激光器21处于工作状态，且功率达到小晶粒钛硅膜的要求。当第一分子泵42将激光加工腔室27真空抽至10-3Pa，激光加工工件台28载着晶圆沿X方向作直线运动，前进一个设定的步距，使得从积分棒25出来的激光在晶圆上进行光栅式扫描，在X方向扫描完成一次后，激光加工工件台28载着晶圆沿Y方向前进一个设定的步距，使得从积分棒25出来的激光在晶圆上进行光栅式扫描，为了保证晶圆扫描的均匀性，光栅扫描时必须保证光斑有35％以上的重叠。其中，X方向和Y方向是指图中晶圆所在平面的两个相互垂直的方向。激光扫描过程中，晶圆表面温度达到680℃左右时，形成小晶粒C49相钛硅。
6.将晶圆从激光加工腔室27内传送至出片盒31：激光加工完成之后，激光加工工件台28向出片真空锁37方向平移；出片真空锁37的真空达到要求后关闭抽气真空阀门，打开第三隔离阀36，出片真空锁37内的传片机构将晶圆从激光加工工件台28取出并传送至出片真空锁37内；关闭第三隔离阀36；向出片真空锁37充氮气至大气压；打开出片真空锁的出片阀；第二机械手39将晶圆从出片真空锁37送至出片盒31的片槽中；出片盒31上移，带着晶圆上升，使晶圆离开第二机械手39。
7.湿法漂洗去晶圆表面未形成钛硅的钛：当进片盒内的所有晶圆经过上述过程加工完毕后，取下出片盒，并将晶圆放入聚四氟片盒。将装有晶圆的聚四氟片盒放入钛腐蚀液内，去掉未生成钛硅的钛后，取出装有晶圆的聚四氟片盒，送入清洗槽冲洗甩干。
8.RTA(快速热退火)形成C54相钛硅：用RTA设备对晶圆进行800℃退火，使小晶粒C49相钛硅转化为电阻率更小的C54相钛硅。
Claims (10)
1.一种激光加工装置，用于对半导体晶圆进行激光扫描加工，其特征在于，其包括：
激光器，用于产生激光光束；
扩束镜，用于调整激光器发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜，用于改变来自扩束镜的光束的方向并对准聚焦镜；
聚焦镜，用于将来自反射镜的光束聚焦在积分棒的入射面中心；
积分棒，用于匀化来自聚焦镜的光束；
聚束透镜组，用于将来自积分棒的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对半导体晶圆进行激光扫描加工。
2.一种激光加工系统，其包括：
激光加工腔室，其具有用于承载晶圆的工件台；
激光加工装置，用于对激光加工腔室内的晶圆进行激光扫描加工，所述激光加工装置包括：
激光器，用于产生激光光束；
扩束镜，用于调整激光器发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜，用于改变来自扩束镜的光束的方向并对准聚焦镜；
聚焦镜，用于将来自反射镜的光束聚焦在积分棒的入射面中心；
积分棒，用于匀化来自聚焦镜的光束；
聚束透镜组，用于将来自积分棒的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对晶圆进行激光扫描加工；
进出片真空锁，与所述激光加工腔室通过隔离阀相连，用于放置激光加工前后的晶圆。
3.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于：所述激光加工系统还包括抽真空装置，分别与进出片真空锁和激光加工腔室相连并分别控制其内部气压。
4.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于：所述激光加工系统还包括传片机构，用于将晶圆在所述进出片真空锁和激光加工腔室之间传递。
5.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于：所述工件台具有驱动装置，以驱动工件台沿着x、y或/和z方向运动。
6.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于：所述激光器、扩束镜、反光镜、聚焦镜和积分棒位于激光加工腔室外部，所述聚束透镜组位于激光加工腔室内部。
7.一种晶圆加工系统，其包括：
进片真空锁，用于接收放置晶圆；
金属溅射腔室，与所述进片真空锁通过隔离阀相连，用于接收晶圆，以对晶圆进行金属溅射而形成金属薄膜；
激光加工腔室，与所述金属溅射腔室通过隔离阀相连，用于接收金属溅射后的晶圆；
激光加工装置，用于对激光加工腔室内的晶圆进行激光扫描加工，所述激光加工装置包括：
激光器，用于产生激光光束；
扩束镜，用于调整激光器发出的光束的光斑尺寸和减少光束发散；
反射镜，用于改变来自扩束镜的光束的方向并对准聚焦镜；
聚焦镜，用于将来自反射镜的光束聚焦在积分棒的入射面中心；
积分棒，用于匀化来自聚焦镜的光束；
聚束透镜组，用于将来自积分棒的光束的光斑缩小，并将产生的激光光束对晶圆进行激光扫描加工；
出片真空锁，与所述激光加工腔室通过隔离阀相连，用于接收激光扫描后的晶圆。
8.根据权利要求7所述的晶圆加工系统，其特征在于：所述晶圆加工系统还包括抽真空装置，分别与进片真空锁、金属溅射腔室、激光加工腔室和出片真空锁相连并分别控制其内部气压。
9.根据权利要求7所述的晶圆加工系统，其特征在于：所述晶圆加工系统还包括多个传片机构，用于将晶圆在所述进片真空锁、金属溅射腔室、激光加工腔室和出片真空锁之间传递。
10.根据权利要求7所述的晶圆加工系统，其特征在于：所述晶圆加工系统还包括：
清洗装置，用于对激光扫描后的晶圆进行湿法漂洗，去除未反应金属，并清洗干燥；
RTA(快速热退火)装置，用于对清洗后的晶圆进行退火处理。
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| CN201510141570.7A CN104762665A (zh) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | 激光加工装置及系统、晶圆加工系统 |
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| CN201510141570.7A CN104762665A (zh) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | 激光加工装置及系统、晶圆加工系统 |
Publications (1)
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| CN104762665A true CN104762665A (zh) | 2015-07-08 |
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