CN104882370A - 利用光纤激光器的激光尖峰退火 - Google Patents

利用光纤激光器的激光尖峰退火 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用光纤激光器的激光尖峰退火。通过对晶片表面执行激光尖峰退火的该方法包括：利用多个光纤激光器系统来产生相应的连续波输出辐射束以形成具有长轴和沿长轴的长度LA的长型退火图像，其中连续波输出辐射束在晶片表面部分地重叠；加热晶片表面的至少一个区域至预退火温度TPA；以及在晶片表面及预热区域内扫描长型退火图像，使得长型退火图像的停留时间tD介于30纳秒至10毫秒之间并且使晶片表面的温度升至退火温度TA。

Description

利用光纤激光器的激光尖峰退火
对于相关申请的交叉引用
基于在35 U.S.C 119(e)，本申请要求于2013年12月24日提交的美国临时专利申请NO.61/920,655的优先权权益，该临时专利申请在此通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及激光尖峰退火，并且尤其涉及利用光纤激光器进行的激光尖峰退火。
本公开中提及的任何出版物以及专利文件的全部公开在此通过引用并入。
背景技术
使用扫描激光束的激光退火提供了如下优点：极低的热预算、高掺杂活化(high-doped activation)以及超突变结(Super-abruptjunctions)，这些优点对于高级半导体器件的制造是有利的。因此，对于大多数最小特征尺寸小于45纳米的逻辑器件及许多最小特征尺寸小于32纳米的存储器器件而言，现今在其若干制造步骤中的一个使用某些形式的激光处理，包括源极－漏极活化(Source-drainactivation)、金属-硅合金的形成及缺陷退火(Defect annealing)等。
一种形式的激光退火使用脉冲激光器。脉冲激光退火的示例可参见WO2001/071787A1、美国专利No.6365476以及美国专利No.6366308。典型的半导体应用需要0.1毫秒至10毫秒的退火时间。由于脉冲激光器所输出的光学脉冲的持续时间(举例而言：纳秒至毫秒)相较于所需的退火时间要短许多，因此，对于给定的曝光需要许多光学脉冲。然而，由于脉冲与脉冲之间的功率变动，这导致了退火均匀度的问题。
发明内容
本发明的一个方面为一种对晶片表面执行激光尖峰退火的方法。该方法包括：利用多个光纤激光器系统产生相应的连续波(CW)输出辐射束，该输出辐射束部分地重叠于晶片表面以形成具有长轴及沿长轴的退火长度LA的长型退火图像；加热晶片的至少一个区域至预退火温度TPA从而界定预热区域；以及在晶片表面及至少部分地在预热区域内(举例而言，完全在预热区域内)在基本垂直长轴的方向上扫描长型退火图像，使得长型退火图像的停留时间tD在100纳秒≤tD≤10毫秒之间；或者在另一示例中，为30纳秒≤tD≤10毫秒之间，并使晶片表面温度升至退火温度TA。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中退火长度LA的范围为3毫米≤LA≤450毫米；或者，在另一示例中，长度范围为3毫米≤LA≤30毫米。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中长型退火图像具有垂直于长轴测量的宽度WA，并且其中宽度WA的范围为25微米≤WA≤500微米；或者，在另一示例中，宽度WA的范围为50微米≤WA≤500微米。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中连续波输出辐射束具有光功率量PA，光功率量PA的范围为100瓦特≤PA≤10,000瓦特；或者，在另一示例中，光功率量PA的范围为100瓦特≤PA≤1,000瓦特。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中预退火温度TPA的范围为200℃≤TPA≤600℃。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中还包括以下步骤：测量在晶片表面上的温度分布；以及调整连续波输出辐射束中的至少一个的功率量以提高温度分布的均匀度的量。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中晶片具有边缘，长型退火图像具有尾端，并且还包括在长型退火图像经过晶片的边缘前，降低形成长型退火图像尾端的连续波输出辐射束的功率值或者将其关闭。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中长型退火图像是由三个至(最多)五十个连续波输出辐射束所形成(也就是说，由三个、四个、五个、六个...最多五十个输出辐射束)。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中前述连续波输出辐射束界定沿长轴以量Δ部分地重叠的具有长度L的长型图像，并且其中重叠量Δ的范围为Δ≥0.79·(L/2)。
本公开的另一个方面是一种使用具有表面的测量晶片来优化退火图像的均匀度的量的方法。该方法包括利用多个光纤激光器系统来产生相应的连续波(CW)输出辐射束，该连续波输出辐射束部分地重叠在测量晶片的表面以形成具有长轴和沿长轴的长度LA的长型退火图像。该方法还包括：对连续波输出辐射束中的每个探测由测量晶片所反射的光功率量。该方法还包括：调整连续波输出辐射束之中的一个或多个的光功率量以优化长型退火图像的均匀度的量。
本公开的另一个方面是一种对晶片表面执行激光尖峰退火的方法。该方法包括利用多个光纤激光器系统来产生相应的连续波(CW)输出辐射束，该连续波输出辐射束部分地重叠在晶片表面以形成具有长轴和沿长轴的长度LA的长型预退火图像。该方法还包括用长型预退火图像来加热晶片的至少一个区域至预退火温度TPA以界定预热区域。该方法还包括扫描至少部分地位于预热区域内的第二激光束来使晶片表面的温度升至退火温度TA。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
本公开的另一个方面是如上所述的方法，其中退火温度TA高于掺杂硅的熔点温度。
本发明的另一个方面为一种对具有表面的晶片执行激光尖峰退火的系统。该系统包括：多个光纤激光器系统，该多个光纤激光器系统发送相应的输出辐射束，该输出辐射束部分地重叠在晶片表面以形成退火图像；以及晶片支撑组件，其支撑晶片并加热晶片至预退火温度TPA，并且相对于退火图像移动晶片，使得退火图像在晶片表面上进行扫描，其停留时间tD为100纳秒≤tD≤10毫秒，或者在另一示例中，为30纳秒≤tD≤10毫秒；并且其中退火图像具有光功率量PA，光功率量PA的范围为10瓦特≤PA≤1,000瓦特，或者在另一示例中，光功率量PA的范围为10瓦特≤PA≤100瓦特，使得晶片表面的温度经由所述扫描自预退火温度TPA升温至退火温度TA。
本公开的另一个方面是如上所述的系统，其中预退火温度TPA的范围为200℃≤TPA≤600℃。
本公开的另一个方面是如上所述的系统，其中退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
本发明的另一个方面为一种对具有表面的晶片执行激光尖峰退火的系统。该系统包括：多个光纤激光器系统，该多个光纤激光器系统发送各自的输出辐射束，该输出辐射束部分地重叠在晶片表面以形成退火图像；预热激光器系统，其产生将晶片表面的区域预热到预退火温度TPA的预热辐射束；晶片支撑组件，其支撑晶片并相对于退火图像移动晶片，使得退火图像在晶片表面上以及至少部分地在预热区域中扫描，其停留时间tD为100纳秒≤tD≤10毫秒，或者在另一示例中，为30纳秒≤tD≤10毫秒；并且其中退火图像具有光功率量PA，光功率量PA的范围为100瓦特≤PA≤10,000瓦特，或者，在另一示例中为100瓦特≤PA≤1,000瓦特，使得晶片表面的温度在所述扫描期间自预退火温度TPA升温至退火温度TA。
本公开的另一个方面是如上所述的系统，其中预退火温度TPA的范围为200℃≤TPA≤600℃。
本公开的另一个方面是如上所述的系统，其中该退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
本发明的另一个方面为一种对具有表面的晶片执行激光尖峰退火的系统。该系统包括：多个光纤激光器系统，该多个光纤激光器系统发送相应的输出辐射束，该输出辐射束部分地重叠在晶片表面以形成预退火图像，该预退火图像将晶片表面的预热区域预热到预退火温度TPA；退火激光器系统，其产生退火激光束，该退火激光束至少部分地重叠预热区域；晶片支撑组件，其支撑晶片并且相对于预退火图像移动晶片，使得预退火图像在晶片表面以及至少部分地在预热区域中扫描，其停留时间tD的范围为30纳秒≤tD≤10毫秒；并且其中，预退火图像具有光功率量PA，光功率量PA的范围为100瓦特≤PA≤10,000瓦特，使得晶片表面的温度在所述扫描期间自预退火温度TPA升温至退火温度TA。
本公开的另一个方面是如上所述的系统，其中预退火温度TPA的范围为200℃≤TPA≤600℃。
本公开的另一个方面是如上所述的系统，其中该退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
本领域的技术人员借助于该说明很容易理解或通过实施在文字说明或者其权利要求以及所附附图中所描述的实施例来认识到，在随后的说明书中陈述的附加特征和优点。要认识到的是之前的总体说明和之后的详细说明其两者都仅仅是示例性的，并且旨在提供对于理解权力要求的实质和特点的概括和框架。
附图说明
附图被包括进来以提供进一步的理解，并且附图被并入本说明书并且构成本说明书的一部分。附图示出了一个或者多个实施例，并且与详细说明书一起来解释不同实施例的原理和操作。这样，结合附图以及以下详细说明，将更充分地理解本公开，其中：
图1为根据本公开的示例激光尖峰退火(LSA)系统的示意图，所述LSA系统可以实现本公开的方法；
图2为示出光纤激光器系统的示例的示例LSA系统的近视图；
图3为以声光调制器为形式的示例调制器的近视图，该声光调制器形成了驻波(standing)的声波光栅；
图4A为由连续波输出辐射束与晶片表面相交而形成的示例长型(elongate)图像的近视图；
图4B为由高斯强度输出辐射束所形成的示例长型图像的其强度I(归一化单位)对位置坐标x/L的图；
图5为晶片表面的俯视图，其示出多个长型图像如何沿着长方向(X轴方向)部分地重叠以形成结合图像(在此称为“退火图像”)；
图6A为退火的强度轮廓图IA(x/L)，所述退火以Δ＝L/2的偏差来组合7个长型图像而形成；
图6B和图6C类似于图6A,除了其各自的偏差为Δ＝0.9·(L/2)以及Δ＝0.79·(L/2)；
图7A为晶片的俯视图，其示出由沿着长方向重叠的单个长型图像而构成的示例退火图像，其中相对于晶片表面沿着由箭头AR指示的方向来扫描退火图像；
图7B类似于图7A，但是其中退火图像跨过晶片边缘的一部分并且最尾端的长型图像被关闭或者在强度上被减小以避免对晶片边缘造成伤害；
图7C及图7D类似于图7B，并示出当最尾端的长型图像被关闭或者在强度上被减小时，退火图像持续跨过晶片边缘，在退火图像跨过晶片边缘扫描时减小退火图像的尺寸；
图8A类似于图2，并示出LSA系统的示例实施例，其中产生预热辐射束的预热激光器系统被用来预热晶片表面；
图8B和8C为图8A中的晶片表面的俯视图，其显示预热区域与退火图像的两个示例，其中图8B示出完全在预热区域中的退火图像并且图8C示出部分在预热区域中的退火图像；
图9A为示出示例LSA系统的示意图，其中由光纤激光器系统组成的激光器系统形成了用于预热晶片表面以形成预热区域的预退火图像，以及第二激光器系统被用于形成退火图像；以及
图9B类似于图8B，其示出由预退火图像所形成的预热区域以及由图9A的示例LSA系统的第二激光器系统所形成的退火图像。
具体实施方式
现在将详细参照本公开的各种实施例，其中实施例的示例在附图中被说明。在任何可能的情况下，所有附图中使用的相同或类似的参考标记代表了相同或类似的部件。附图不必按比例绘制，且本领域技术人员将认识到附图在哪里被简化了以说明本公开的关键方面。
如下所列出的权利要求被并入本详细说明书中并且构成该详细说明书的一部分。
为了参考的目的，在有些附图中使用笛卡尔坐标，但这并不是用来限制定向/取向。
图1为根据本公开的示例激光尖峰退火(LSA)系统10的示意图，LSA系统10包含激光器系统12以及晶片支撑组件14。晶片支撑组件14包含块(chunk)20，其中块20具有支撑具有表面32的半导体基板(“晶片”)30的表面22。在示例中，块20被配置以产生热以加热晶片30至预退火温度TPA，预退火温度TPA可为例如：200℃至600℃之间。块20被示出为连接到块控制器26，块控制器26用来控制块20的温度。
块20置于可动平台40上。可动平台40的移动通过平台控制器46来控制，其中平台控制器46可操控地连接到可动平台40。
激光器系统12包含一个或多个光纤激光器系统50。图2为示例LSA系统10的近视图，其示出光纤激光器系统50的示例。每个光纤激光器52包括具有光纤区段53的长度的光纤激光器52。在示例中，各光纤激光器52发射具有大约2μm的波长λ的初始辐射(初始辐射束)54，例如，1.8μm≤λ≤2.1μm。示例光纤激光器52为基于铥的光纤激光器，例如可从位于麻萨诸塞州牛津的IPG Photonics Corp公司购得。在示例中，可以使用二个至五十个光纤激光器系统50(即，可以使用二个、三个、四个…五十个的光纤激光器系统50)。并且在更具体的示例中，光纤激光器系统50的数量可以为三个至六个(即，可以使用三个、四个、五个或六个光纤激光器系统50)。
在示例中，各光纤激光器52以单模形式来操作，即，光纤激光器52产生单模的初始辐射束54。在示例中，初始辐射束54具有至多为200瓦特(W)的功率。在示例实施例中，光纤激光器52被配置使得邻近的光纤激光器52的波长λ相差数个纳米(nm)，以避免在晶片30的表面32产生散斑效应。在图1的示例LSA系统10中，部分或者全部的光纤激光器系统50由支撑件55可操作地支撑(举例而言，安装板)，该支撑件可操作地相对于晶片支撑组件14来布置。在一个示例中，支撑件55可相对晶片支撑组件14移动；而在另一示例中，支撑件55为固定式。在示例中，各光纤激光器52的输出功率可由激光控制器直接调制，该激光控制器在示例中由以下所介绍并且讨论的控制器90来示意性地表示。
各光纤激光器系统50包含光学系统60，其接收初始辐射束54并产生输出辐射束64。来自多个光纤激光器系统50的输出辐射束64共同形成组合输出辐射束64C，如下所讨论的。在示例中，光学系统60依次包括光纤区段53、准直透镜72、(辐射)调制器74以及柱状光学系统80(如图2所示)，其中在示例中柱状光学系统80包含第一柱状透镜82及第二柱状透镜84，其中第一柱状透镜82与第二柱状透镜84在正交平面上具有各自的光功率。在图1所示出的示例实施例中，第二柱状透镜84形成为单一组件，其被一些或者所有光纤激光器系统50所共享。
柱状光学系统80用以接收来自准直透镜72的大致对称的呈高斯分布的准直化辐射束54C，并将准直化辐射束54C于一个方向上展开并且将其带到正交平面的焦点处，使得所得到的输出辐射束64在晶片30的表面32上形成长型图像102(见图4A)。长型图像102具有长轴aL。在示例中，一部分或者所有构成光学系统60的元件由熔融硅石形成。
LSA系统10还包含控制器90，控制器90在示例实施例中可操作地连接到晶片支撑组件14，并且更具体地连接至块控制器26及平台控制器46以控制块20的加热以及可动平台40的扫描移动，如下所述。在示例中，控制器90还连接到激光器系统12，并且更进一步地连接到光纤激光器系统50以控制光纤激光器52的激活以及控制初始辐射束54的功率值，如下所述。示例控制器90包含计算机。通常，控制器90是利用指令可编程的，其中指令体现在计算机可读介质中以使得控制器90控制LSA系统10的操作。控制器90可包含或以其他形式包括一个或多个计算机、处理器、微控制器、微电脑、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其他可编程电路。
在LSA系统10的操作的示例中，控制器90使得光纤激光器52发射初始辐射束54，初始辐射束54通过光纤区段53并从光纤区段53散出成为发散束。准直透镜72接收发散的初始辐射束54以形成前述的准直化辐射束54C。准直化辐射束54C接着被调制器74接收。如上所述，控制器90可以被用来调制光纤激光器52的输出功率。
图3为示例调制器74的近视图，调制器74其形式为声光调制器并且其形成驻波的声波光栅(“光栅”)76。声波光栅76用于将准直化辐射束54C衍射为零级辐射束54C0及一级辐射束54C1。通过调整声波光栅76的幅度(amplitude)，零级辐射束54C0与一级辐射束54C1的功率量可以被调整。在示例中，一级辐射束54C1延续至柱状光学系统80而零级辐射束54C0则被引导至束流收集器(beam dump)BD。可以在远小于硅的热扩散时间的高频处(举例而言，在兆赫兹范围)驱动调制器74。这可以允许使用调制器74来控制每个输出辐射束64中的功率从而补偿发生在晶片30的表面32的任何温度梯度。
在示例实施例中，不使用调制器74而是通过例如激光控制器(如前述的可以是控制器90)来直接调制光纤激光器52。尤其是当可动平台40的速度足够缓慢从而允许使用通过激光控制器的反馈来执行调制时，可以使用光纤激光器52的直接调制方式。
在图2中所示出的LSA系统10的操作的示例实施例中，待处理的晶片30被测量晶片30M所取代，其中测量晶片30M被用于校准每个光纤激光器系统50的功率输出。为执行该校准，各光纤激光器系统50被激活以产生其相应的输出辐射束64。测量晶片30M具有表面32M用以将选择量的输出辐射束64作为测量辐射64M引导至相对于测量晶片30M布置的光电探测器120。
举例而言，测量晶片30M的表面32M可具有选择量的表面粗糙度，该表面粗糙度被设计使得在形成测量辐射64M时，产生输出辐射束64的选择量或其他已知量的散射。由光电探测器120所执行的光纤激光器系统50的校准功率测量体现在提供到控制器90的光电探测器信号SD。控制器90处理光电探测器信号SD并据以调整相应的调制器74(举例而言，通过调制器控制信号SM)，使得各输出辐射束64传达基本上相同量的光功率或者选择量的光功率至待处理的晶片30的表面32。在另一个示例中，调制器控制信号SM被引导至光纤激光器52，使得控制器90用作控制每个光纤激光器52的输出功率的激光器控制器。
在示例中，光电探测器120包含多信道高温计(pyrometer),该多信道高温计可以在LSA系统10的正常操作期间来控制组合输出辐射束64C中的功率分布，如下所述。
一级辐射束54C1由柱状光学系统80所接收，其如上所述形成具有长型方向和聚焦的、更窄方向的输出辐射束64。来自光纤激光器系统50的输出辐射束64以导致形成相应的长型图像102的方式被引导到晶片30的表面32，其中相邻的长型图像部分地重叠。
图4A为示例长型图像102的近视图，长型图像102通过输出辐射束64与晶片30的表面32的相交而形成。长型图像102在其窄方向(即Y轴方向)具有宽度W而在其长方向(即X轴方向)具有长度L，长方向定义了长轴aL。在示例中，宽度W和长度L是由界定了长型图像102的高斯强度分布的阈值强度轮廓来界定的。图4B为由高斯强度输出辐射束64所形成的示例长型图像102的其强度I(归一化单位)对位置坐标x/L的作图，其中，高斯强度输出辐射束64可以下式描述：
I(x)＝exp{-2·(x/L)2}
在示例中，长度L由1/e2的强度轮廓所界定，如图4B所示。
图5为晶片30的表面32的俯视图，其示出多个长型图像102如何沿着长方向(X轴方向)部分地重叠而形成结合图像(即退火图像102A)。退火图像102A具有长轴AL、在长轴AL方向上所测量的长度LA(即退火长度)以及在垂直于长轴AL的方向上所测量的宽度WA。相邻图像间沿长方向的偏差表示为Δ。退火图像102A的强度轮廓IA(x)可由下式表示：
IA(x)＝Σexp{-2·[(x-Δ·n)/L]2}。
其中，n为与结合的长型图像102的(整数)个数相关的数字参数，且偏差Δ是相对于退火图像102A的中心所测量的。退火图像102A具有总体长度LA，在示例中，总体长度LA由退火图像102A的1/e2的强度轮廓所界定。长度LA的示例范围是3毫米(mm)≤LA≤30毫米。宽度WA的示例范围为50微米≤WA≤500微米；或者，在另一示例中，宽度WA的范围为25微米≤WA≤500微米。
图6A为由组合七个长型图像102所形成的退火图像102A的强度轮廓IA(x/L)的图。在以上IA(x)的表达式中，数字参数n的范围为-3至+3，且偏差为Δ＝L/2。
图6B与图6C与图6A类似，除了偏差Δ分别为0.9·(L/2)以及0.79·(L/2)。随着偏差值Δ变得更小，退火图像102A的总体强度增加且其总体长度LA减小。
在示例实施例中，退火图像102A具有范围为100瓦特≤PA≤10,000瓦特的光功率量；或在另一示例中，为100瓦特≤PA≤1,000瓦特。
在示例中，退火图像102A的均匀度由从晶片30所发出的热发射E决定。热发射E对于温度变化非常敏感，并继而与能量密度成比例：δ(E)/E≈(10-α)·δ(T)/T，其中11<α<15。因此，强度轮廓的可接受的均匀度是由强度轮廓的平坦区域的大体均匀分布所给定的。通常地，对于强度的明显的调制可能导致晶片30温度的不可接受的变动。在图6A至图6C所示的退火图像102A的强度轮廓IA(x)中，对于大部分的退火应用，图6C的强度轮廓具有可接受的均匀度，而图6A与图6B的强度轮廓的均匀度则是不可接受的。因此，在示例中，偏差Δ≤0.79·(L/2)被用于得到合适的均匀强度轮廓并且基本上均匀的晶片加热。
一旦退火图像102A形成，退火图像102A在晶片30的表面32进行扫描以在晶片30的表面32执行激光尖峰退火，举例而言，以提高支撑于晶片30上的半导体器件(未示出)内的掺杂剂扩散。在一个示例实施例中，退火图像102A的扫描由控制器90引导平台控制器46去移动可动平台40来完成，使得晶片30的表面32相对于退火图像102A移动。执行晶片30的移动，使得退火图像102A在被扫描的晶片30的表面32的给定点上的停留时间tD的范围为30纳秒(ns)≤tD≤10毫秒(ms)或者在另一示例中，停留时间tD的范围为100纳秒≤tD≤10毫秒。
图7A为晶片30、晶片30的表面32以及晶片30的边缘34的俯视图，其示出由在长方向上重叠的单个长型图像102形成的退火图像102A。图7A还示出退火图像102A相对晶片30的表面32移动的方向，由箭头AR所指示。退火图像102A沿着垂直于其长轴AL的方向移动(扫描)，换句话说，当其长轴为X方向时，沿着Y方向移动，如图7A所示。
通过多个长型图像102形成退火图像102A的优点是退火图像可以通过改变单个长型图像102而被裁剪或者以其他方式调整。这种调整甚至可以在退火图像102A的扫描过程中进行。图7B类似于图7A，并且示出退火图像102A的一个边缘103E跨越晶片30的边缘34的示例。为了避免退火图像102A的能量对晶片30的边缘34造成伤害，最尾端长型图像102(标记为102E)被关闭或者其功率或强度被降低，使得退火图像102A不会照射到晶片30的边缘34(或者不用相当大的功率或强度去照射晶片30的边缘34)。如图7C与图7D所示出，随着退火图像102A持续其扫描路径并且持续跨越晶片30的边缘34时，可以持续进行关闭最尾端长型图像102E或者降低其功率或强度的过程。最后，会仅剩一个长型图像102来构成退火图像102A。
图8A类似于图2，其示出了LSA系统10的示例实施例，其中产生预热辐射束202的预热激光器系统200用来预热晶片30的表面32。如图8B的近视图所示，预热辐射束202用来在晶片30的表面32上产生预热区域202R，预热区域202R用来增加晶片30的表面32上的输出辐射束64的吸收。在示例中，预热区域202R的预热(预退火)温度TPA界于200℃至600℃之间。至少部分地位于预热区域202R内的退火图像102A，接着将晶片30的表面32的温度自预退火温度TPA提升至退火温度TA，其在示例中，对于非熔融退火处理(Non-meltannealing process)而言，退火温度TA的范围为1,100℃至1,350℃之间；而对于熔融退火处理而言，退火温度TA高于被掺杂的硅的熔点温度(例如，大约为1,410℃)。
在图8B的示例中，预热区域202R与退火图像102A一起移动，如箭头AR1与AR2所示。关于利用预热辐射束202执行激光退火的示例公开在美国授权前(pre-grant)专利公开US2012/0111838(下称“838号公开”)中。图8C示出与图8B类似的示例，但其中退火图像102A的边缘103E位于预热区域202R之外。图8C的布置提供一种避免在退火图像102A的边缘103E处或者附近可能产生的强度不均匀的退火或者强度逐渐减弱的退火的方式。
本公开的一个方面是使用退火图像102A来预热晶片30的表面32，并且使用另一退火束以类似图8A与图8B的方式来执行LSA，如在“838号公开”中所描述的。图9A为示出示例LSA系统10的示意图，其中LSA系统10包含形成退火图像102A的激光器系统12，现在退火图像102A用来预热晶片30的表面32从而形成预热区域202R。在具有这样的能力下，退火图像102A在此称为预退火图像102PA。图9A的LSA系统10还包含了第二激光器系统312，其产生了退火激光束364，该退火激光束364在晶片30的表面32上形成了退火图像402A，如图9B的近视图所示。退火激光束364可为连续波CW激光束或脉冲激光束。部分地位于预热区域202R内的退火激光束364用来将晶片30的表面32自预退火温度TPA升温至退火温度TA，在示例中，对于非熔融退火处理(Non-melt annealing process)而言，该退火温度TA的范围为1,100度至1,350℃之间(换句话说，1,100℃≤TA≤1,350℃)；而对于熔融退火处理而言，退火温度TA高于被掺杂的硅的熔点温度(例如，大约为1,410℃)。在另一示例中，退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,300℃。
在此处所公开的LSA系统10的各种实施例具有若干优点。一个优点是光纤激光器52为可调的，使得相邻光纤激光器52的波长λ可以被调节为互相具有数个纳米的差异。这个性质可以使光纤激光器52的初始辐射束54彼此基本不相干(incoherent)，进而避免不利的相干光(coherent-light)效应，例如由自晶片30的表面32反射所形成的散斑现象。另一个优点则是光纤激光器52具有高可靠度、高效率、低成本并相较其他类型的激光器占用较少的空间。此外，因为光纤激光器52以单模操作，其初始输出光束54具有相对干净的高斯轮廓从而可以用简单光学系统60进行处理。继而可以有合理的高光学系统吞吐量(Optical system throughput)(举例而言，大约70％)。因此，对于200瓦特的初始辐射束54，可以导致向晶片30的表面32发送140瓦特的输出辐射束64。
此外，标称(即，大约)2微米的输出波长λ实质上大于晶片30的表面32的特征的尺寸，因此可减缓会导致加热不均匀的不利的晶片图案效应(advert wafer pattern effect)。此外，光纤激光器52的2微米的输出波长λ及该输出波长λ的可调性允许调节LSA系统10从而避开处理气体的选择吸收带，其中处理气体可以临近晶片30的表面32。举例而言，氨气在2微米处具有强烈吸收带，而光纤激光器的波长λ可以被调整以稍稍远离此吸收带波长。
对本领域技术人员来说，可以在不脱离由所附权利要求所界定的本公开的精神和范围的情况下，对于本公开所描述的优选实施例做出各种修改。
因此，本公开涵盖处在所附权利要求及其等同物的范围之内的改型和变型。

Claims (23)

1.一种对晶片表面执行激光尖峰退火的方法，包括：
利用多个光纤激光器系统产生相应的连续波CW输出辐射束，所述连续波CW输出辐射束部分地重叠于所述晶片表面以形成具有长轴及沿所述长轴的长度LA的长型退火图像；
加热所述晶片的至少一个区域至预退火温度TPA从而界定预热区域；以及
在所述晶片表面及至少部分地在所述预热区域内在基本垂直所述长轴的方向上扫描所述长型退火图像，使得所述长型退火图像的停留时间tD在30纳秒≤tD≤10毫秒的范围之内并且将所述晶片表面的温度升至退火温度TA。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述长度LA的范围是3毫米≤LA≤450毫米。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述长型退火图像具有垂直于所述长轴测量的宽度WA，并且其中25微米≤WA≤500微米。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述连续波CW输出辐射束具有光功率量PA，所述光功率量PA的范围是100瓦特≤PA≤10,000瓦特。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述预退火温度TPA的范围是200℃≤TPA≤600℃。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述退火温度TA的范围是1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
测量在所述晶片表面上的温度分布；以及
调整所述连续波CW输出辐射束中的至少一个的功率量以提高所述温度分布的均匀度的量。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述晶片具有边缘，所述长型退火图像具有尾端，并且还包括在所述长型退火图像经过所述晶片的边缘前，降低形成所述长型退火图像的所述尾端的连续波CW输出辐射束的功率量或者将其关闭。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述长型退火图像是由三个至五十个连续波CW输出辐射束所形成。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述连续波CW输出辐射束界定沿所述长轴以量Δ部分地重叠的具有长度L的长型图像，并且其中重叠量Δ的范围为Δ≥0.79·(L/2)。
11.一种使用具有表面的测量晶片来优化退火图像的均匀度的量的方法，包括：
利用多个光纤激光器系统来产生相应的连续波CW输出辐射束，所述连续波CW输出辐射束部分地重叠在所述测量晶片的表面以形成具有长轴和沿所述长轴的长度LA的长型退火图像；
对所述连续波CW输出辐射束中的每个探测由所述测量晶片所反射的光功率量；以及
调整所述连续波CW输出辐射束之中的一个或多个的光功率量以优化所述长型退火图像的均匀度的量。
12.一种对晶片表面执行激光尖峰退火的方法，包括：
利用多个光纤激光器系统来产生相应的连续波CW输出辐射束，所述连续波CW输出辐射束部分地重叠在所述晶片表面以形成具有长轴和沿所述长轴的长度LA的长型预退火图像；
用所述长型预退火图像来加热所述晶片的至少一个区域至预退火温度TPA以界定预热区域；以及
扫描至少部分地位于所述预热区域内的第二激光束以使所述晶片表面的温度升至退火温度TA。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述退火温度TA的范围是1,100℃≤TA≤1,350℃。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述退火温度TA高于掺杂硅的熔点温度。
15.一种对具有表面的晶片执行激光尖峰退火的系统，包括：
多个光纤激光器系统，所述多个光纤激光器系统发送相应的输出辐射束，所述输出辐射束部分地重叠在所述晶片表面上以形成退火图像；
晶片支撑组件，其支撑所述晶片并加热所述晶片至预退火温度TPA，并且相对于所述退火图像移动晶片，使得所述退火图像在所述晶片表面上进行扫描，其停留时间tD的范围是30纳秒≤tD≤10毫秒；以及
其中所述退火图像具有光功率量PA，所述光功率量PA的范围为10瓦特≤PA≤1,000瓦特，使得所述晶片表面的温度在所述扫描期间自预退火温度TPA升至退火温度TA。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述预退火温度TPA的范围为200℃≤TPA≤600℃。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
18.一种对具有表面的晶片执行激光尖峰退火的系统，包括：
多个光纤激光器系统，所述多个光纤激光器系统发送各自的输出辐射束，所述输出辐射束部分地重叠在所述晶片表面以形成退火图像；
预热激光器系统，其产生将所述晶片表面的区域预热到预退火温度TPA的预热辐射束；
晶片支撑组件，其支撑所述晶片并相对于所述退火图像移动所述晶片，使得所述退火图像在所述晶片表面上以及至少部分地在所述预热区域中扫描，其停留时间tD的范围为30纳秒≤tD≤10毫秒；以及
其中所述退火图像具有光功率量PA，所述光功率量PA的范围为100瓦特≤PA≤10,000瓦特，使得所述晶片表面的温度在所述扫描期间自所述预退火温度TPA升至退火温度TA。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述预退火温度TPA的范围是200℃≤TPA≤600℃。
20.如权利要求18所述的系统，其中所述退火温度TA的范围为1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
21.一种对具有表面的晶片执行激光尖峰退火的系统，包括：
多个光纤激光器系统，所述多个光纤激光器系统发送相应的输出辐射束，所述输出辐射束部分地重叠在所述晶片表面以形成预退火图像，所述预退火图像将所述晶片表面的预热区域预热到预退火温度TPA；
退火激光器系统，其产生退火激光束，该退火激光束至少部分地重叠所述预热区域；
晶片支撑组件，其支撑所述晶片并且相对于所述预退火图像移动所述晶片，使得所述预退火图像在所述晶片表面以及至少部分地在所述预热区域中扫描，其停留时间tD的范围为30纳秒≤tD≤10毫秒；以及
其中所述预退火图像具有光功率量PA，所述光功率量PA的范围为100瓦特≤PA≤10,000瓦特，使得所述晶片表面的温度在所述扫描自期间所述预退火温度TPA升至退火温度TA。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述预退火温度TPA的范围是200℃≤TPA≤600℃。
23.如权利要求21所述的系统，其中所述退火温度TA的范围是1,100℃≤TA≤1,350℃或者TA≥1,410℃。
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