CN105206517A - 一种脉宽展宽激光退火装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，包括：一光源发出的光束经过一脉宽调整单元调整该光束的时域分布及脉宽，该调整后的光束依次经过一准直扩束单元、匀光单元后进入一聚焦单元将该光束聚焦后入射一基底；该脉宽调整单元按照光束传播的方向依次包括一偏振分束器、一光线延迟单元和一偏振合束器。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种脉宽展宽激光退火装置。
背景技术
过去数十年，电子器件制造遵循摩尔定律，经历了快速发展，减小集成电路尺寸是维持这一趋势的源动力，而随着制造尺寸的缩小，带来了制造工艺技术上的困难和挑战。在互补金属氧化物半导体晶体管的形成过程中，热处理一直起着关键的作用，特别是对于超浅结激活以及硅化物形成等关键过程来讲，更是至关重要。传统的快速退火已经很难满足32nm及更高节点的要求，新的退火技术替代快速热退火正在被大量研究，如闪光灯退火、激光尖峰退火、低温固相外延等。其中，激光退火技术已显示出良好的应用前景。
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。
文献《DOUBLE-PULSEDLASERANNEALINGTECHNOLOGIESANDRELATEDAPPLICATIONS》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insulatedgatebipolartransistors（IGBT）和low-temperaturepolycrystallinesiliconthin-filmtransistors(LTPS-TFTS)的退火，可以实现2μm的退火深度。激光器的重复频率固定，激光的脉宽不可调。
文献《纳秒级激光脉冲展宽系统的分析及应用》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。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
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供能实现调整脉宽展宽的退火装置。
为了实现上述发明目的，本发明公开一种脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，包括：一光源发出的光束经过一脉宽调整单元调整该光束的时域分布及脉宽，该调整后的光束依次经过一准直扩束单元、匀光单元后进入一聚焦单元将该光束聚焦后入射一基底；该脉宽调整单元按照光束传播的方向依次包括一偏振分束器、一光线延迟单元和一偏振合束器。
更进一步地，该偏振分束器将该光束分为P偏振光和S偏振光，该光线延迟单元位于该P偏振光或该S偏振光的光路上，所述偏振合束器用于将经所述光线延迟单元处理的P偏振光和S偏振光合为一束。
更进一步地，该光线延迟单元按光线传播的方向依次包括一偏振分光棱镜，1/4波片，反射镜和角锥反射棱镜；入射偏振激光束经所述偏振分光棱镜、1/4波片后经所述反射镜反射，又入射至所述1/4波片，再经所述偏振分光棱镜反射到所述角锥反射棱镜，再经所述角锥反射棱镜反射，反射后的光束与所述入射偏振激光束分开再次入射至所述偏振分光棱镜，再入射至所述1/4波片，再经反射镜反射，再入射至1/4波片，形成出射偏振激光束后经偏所述振分光棱镜离开所述光线延迟单元。
更进一步地，该光线延迟单元还包括一水平移动台，该水平移动台改变该光束经过的光程以调整脉宽。
更进一步地，该光源是红外光、可见光或紫外光。
更进一步地，该光源发出的光束为至少两束。
更进一步地，该偏振分束器将该光束分为任意比例的P偏振光和S偏振光。
与现有技术相比较，本发明在光路上增加一个光束延迟单元，该单元包括偏振分光棱镜、1/4波片、可动反射镜，实现改变光束的光程，再通过光束叠加实现改变光束的脉宽。可以实现较宽的展宽范围，还可以实现合束后各个脉冲的能量分配。可以用一倍的空间达到4倍空间改变光程的效果，有效实现调整脉宽的效果。
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是本发明所涉及的激光退火装置的结构示意图；
图2是本发明所涉及的激光退火装置的脉冲调整单元结构示意图之一；
图3是本发明所涉及的激光退火装置的脉冲调整单元结构示意图之二；
图4是本发明所涉及的激光退火装置的光线延迟单元的结构示意图之一；
图5是本发明所涉及的激光退火装置的光线延迟单元的结构示意图之二；
图6是图2、图3中所示脉冲调整单元的脉宽展宽效果示意图；
图7是本发明所涉及的激光退火装置的光线延迟单元的结构示意图之三；
图8是本发明所涉及的激光退火装置的光线延迟单元的结构示意图之四；
图9是使用图7、图8中所示的光线延迟单元的脉冲调整单元的脉宽展宽效果示意图；
图10是使用多光束叠加的脉宽调整单元的结构示意图；
图11是图10中所示脉冲调整单元的脉宽展宽效果示意图。
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。
本发明提出一种激光退火设备，其包含的脉宽可调整方案，通过增加光程，改变脉冲在时间上的分布，光程每增加1m，光脉冲可以延时3.3ns，光路采用折弯，只占用1/4（或许更小）的空间（0.25m）就可以达到3.3ns的展宽效果。采用光束逐级分束最后再合束，可以实现多个脉冲的叠加，实现多倍光束自身脉宽的展宽。展宽装置中包含一个展宽反射镜采用可动机构，通过调整反射镜可以实现调整脉冲在时间上的分布，可以实现较宽的展宽范围，
本发明涉及的激光退火装置系统框图如图1所示，其包含激光光源10，脉宽调整单元20，准直扩束单元30，匀光器40，聚焦单元50，硅片60和工件台70。激光光源10发出的光束经过脉宽调整单元20，脉冲展宽后经过准直扩束单元30，匀光单元40，匀化后的光束进入聚焦单元50，聚焦后的光束入射硅片60。
脉冲调整单元20包括偏振分（合）束器201、205，反射镜202、206，光线延迟单元203、204。激光束100经过偏振分束器，分为P偏振光101和S偏振光102，P偏振101进入光线延迟单元203，得到脉宽展宽的P偏振光束103。S偏振光102经过反射镜202进入光线延迟单元204，得到脉宽展宽的S偏振光束104，S偏振光束104经过反射镜206和P偏振光束103经过偏振合束器205得到脉宽展宽的光束105。
图2是本发明所涉及的激光退火装置的脉冲调整单元结构示意图之一；图3是本发明所涉及的激光退火装置的脉冲调整单元结构示意图之二。图2与图3的区别在于，图2的光线延迟单元203位于偏振分（合）束器201、205的光路中间，用于延迟P偏振光。图3的光线延迟单元204位于反射镜202和反射镜206之间，用于延迟S偏振光。
本发明的第一实施例的光线延迟单元203如图4所示。光线延迟单元203由偏振分光棱镜2031、1/4波片2032、反射镜2033和角锥反射棱镜2034组成。入射P偏振激光束101经偏振分光棱镜2031，1/4波片2032，经反射镜2033反射，入射1/4波片2032，成S偏振激光束，经偏振分光棱镜2031，反射到角锥反射棱镜2034，反射后与入射光线分开再次入射偏振分光棱镜2031，S偏振激光束再次入射1/4波片2032，经反射镜2033，入射1/4波片2032，成P偏振激光束经偏振分光棱镜2031离开光线延迟单元203，即得到光线103。
本发明的第一实施例的光线延迟单元204如图5所示。光线延迟单元204由偏振分光棱镜2041、1/4波片2042、反射镜2043和角锥反射棱镜2044组成。入射S偏振激光束102经偏振分光棱镜2041，1/4波片2042，经反射镜2043反射，入射1/4波片2042，成P偏振激光束，经偏振分光棱镜2041，反射到角锥反射棱镜2044，反射后与入射光线分开再次入射偏振分光棱镜2041，P偏振激光束再次入射1/4波片2042，经反射镜2043，入射1/4波片2042，成S偏振激光束经偏振分光棱镜2041离开光线延迟单元204,即得到光线104。
S偏振光束104经过反射镜206后和P偏振光束103经过偏振合束器205得到脉宽展宽的光束105。
光束105的脉宽展宽效果如图6所示。在能量分布上，若想得到两个脉冲的强度相等，在第一个分光元件上设置透射光和反射光的能量分。假设光束100的能量为I，设置经过光线延迟单元的光强为53.76%I，不经过光线延迟单元的光强为46.24%I。因为光学延迟单元一共经过17次面的透射和反射，假设每个面的反射率（透射率）为99%，则经过光线延迟单元后光强衰减0.99^17=0.8429,不经过光线延迟单元，只经过两次反射，光强衰减0.99^2=0.9801,两束光合束后的光强分别为53.76%I*0.8429=45.31%I,46.24%I*0.9801=45.31%I。两个脉冲的光强相等。也可以根据实际需求分配能量比例。
图7是本发明所涉及的激光退火装置的光线延迟单元的结构示意图之三。如图7所示，光线延迟单元203由偏振分光棱镜2031、1/4波片2032、反射镜2033、角锥反射棱镜2034和水平移动台2035组成。入射P偏振激光束101经偏振分光棱镜2031，1/4波片2032，经反射镜2033反射，入射1/4波片2032，成S偏振激光束，经偏振分光棱镜2031，反射到角锥反射棱镜2034，反射后与入射光线分开再次入射偏振分光棱镜2031，S偏振激光束再次入射1/4波片2032，经反射镜2033，入射1/4波片2032，成P偏振激光束经偏振分光棱镜2031离开光线延迟单元203，即得到光线103。水平移动台2035通过前后移动可以改变光束经过的光程，从而可以达到任意调节脉冲之间的时间间隔，调整脉宽。
图8是本发明所涉及的激光退火装置的光线延迟单元的结构示意图之四。光线延迟单元204由偏振分光棱镜2041、1/4波片2042、反射镜2043、角锥反射棱镜2044和水平移动台2045组成。入射S偏振激光束102经偏振分光棱镜2041，1/4波片2042，经反射镜2043反射，入射1/4波片2042，成P偏振激光束，经偏振分光棱镜2041，反射到角锥反射棱镜2044，反射后与入射光线分开再次入射偏振分光棱镜2041，P偏振激光束再次入射1/4波片2042，经反射镜2043，入射1/4波片2042，成S偏振激光束经偏振分光棱镜2041离开光线延迟单元204,即得到光线104。水平移动台2035通过前后移动可以改变光束经过的光程，从而可以达到任意调节脉冲之间的时间间隔，调整脉宽。
S偏振光束104经过反射镜206后和P偏振光束103经过偏振合束器205得到脉宽展宽的光束105。
光束105的脉宽展宽效果如图9所示。能量分配方法与上一实施例类似。
图10是使用多光束叠加的脉宽调整单元的结构示意图。如图10中所示，该脉宽调整单元20包括偏振分（合）束器2-1，2-5，2-10，2-16，2-18，2-20，反射镜2-2，2-7，2-12，2-14，光线延迟单元2-3，2-8，2-13，结构与实施例中203完全相同，1/2波片2-4，2-6，2-9，2-11，2-15，2-17，2-19，可以改变光束的偏振态。光束经过偏振分束器2-1把光路分成两束，第一路光经过偏振合束器2-20与其它三路光合为一束。第二束光经过反射镜2-2，经过光线延迟单元2-3，再经过1/2波片2-4改变偏振态，再经过偏振分束器2-5把光分成两束。第三路光经过反射镜2-7，经过光线延迟单元2-9，再经过1/2波片2-4改变偏振态，再经过偏振分束器2-10把光分成两束。第四路光经过反射镜2-12，经过光线延迟单元2-13，经过反射镜2-14，再经过1/2波片2-16改变偏振态，再经过偏振分束器2-16与第三路光合为一束。合束后的光通过1/2波片2-17改变偏振态，再经过偏振分束器2-18与第二路光合为一束。合束后的光通过1/2波片2-19改变偏振态，再经过偏振分束器2-20与第一路光合为一束。四路光合束在一起，每个脉冲在时间分布上相差一个延迟长度，光线延迟单元的可调反射镜可以控制脉冲之间的延迟间隔。
图11是图10中所示脉宽调整单元的脉宽展宽效果，采用此类思路还可以实现多路光束的合束和展宽。各个脉冲的能量分布方法与第一实施例中的方法类似。
本发明通过光束的反射，用较小的空间实现加大的光程差，改变光束在时域上的分布，再通过光束合束，实现对光束的脉宽调整。本发明通过合理的能量分配比，可以实现最终得到的脉冲能量是相等的，也可以通过根据实际需要调整能量比。
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 (7)
1.一种脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，包括：一光源发出的光束经过一脉宽调整单元调整所述光束的时域分布及脉宽，所述调整后的光束依次经过一准直扩束单元、匀光单元后进入一聚焦单元将所述光束聚焦后入射一基底；所述脉宽调整单元按照光束传播的方向依次包括一偏振分束器、一光线延迟单元和一偏振合束器。
2.如权利要求1所述的脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，所述偏振分束器将所述光束分为P偏振光和S偏振光，所述光线延迟单元位于所述P偏振光或所述S偏振光的光路上，所述偏振合束器用于将经所述光线延迟单元处理的P偏振光和S偏振光合为一束。
3.如权利要求2所述的脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，所述光线延迟单元包括一偏振分光棱镜，1/4波片，反射镜和角锥反射棱镜；入射偏振激光束经所述偏振分光棱镜、1/4波片后经所述反射镜反射，又入射至所述1/4波片，再经所述偏振分光棱镜反射到所述角锥反射棱镜，再经所述角锥反射棱镜反射，反射后的光束与所述入射偏振激光束分开再次入射至所述偏振分光棱镜，再入射至所述1/4波片，再经反射镜反射，再入射至1/4波片，形成出射偏振激光束后经偏所述振分光棱镜离开所述光线延迟单元。
4.如权利要求3所述的脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，所述光线延迟单元还包括一水平移动台，所述水平移动台改变所述光束经过的光程以调整脉宽。
5.如权利要求1所述的脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，所述光源是红外光、可见光或紫外光。
6.如权利要求1所述的脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，所述光源发出的光束为至少两束。
7.如权利要求2所述的脉宽展宽激光退火装置，其特征在于，所述偏振分束器将所述光束分为任意比例的P偏振光和S偏振光。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| 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. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151230 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |