CN105206543A - 激光能量密度的监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光能量密度的监测装置及方法，该装置包括：图形监测采集模块，用于在退火过程中对硅片表面产生的微纹进行检测和采集；图形控制模块，对图形监测采集模块采集到的微纹图形进行处理和存储，以获取与该微纹图形对应的实际能量密度；主机电路模块，对从图形控制模块获取的微纹图形的实际能量密度和从激光器中直接获取的能量密度进行计算，并根据计算结果调整激光器的能量密度至最佳。采用本发明的监测装置及方法，激光退火后的硅片不会因受到离子注入的影响对硅片进行破坏，反而能实现实时监测以及补偿，极大的节约成本以及提高良率。通过监测硅片表面微纹调整激光器输出能量密度使硅片在最佳工艺能量密度，提高了制程的良率。

Description

激光能量密度的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种激光能量密度的监测装置及方法。

背景技术

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)主要应用于高电压高电流器件。目前，IGBT在家电领域中主要应用在电磁炉、电饭煲，汽车领域应用在伺服驱动器、地铁机头、高速机车，工业领域则应用在马达控制、工业变频器等一系列高功率器件中。

器件能承受高压的主要原因在于其存在较厚的N层，最优的生产方法是在N型的硅圆片衬底上直接制作IGBT高压功率器件的上层结构，然后将圆片减薄，对N层的厚度进行控制，最后采用背面离子注入的方法，形成P型硅掺杂层，背面金属化后形成器件。由于目前的注入工艺已解决了背面高浓度的离子注入问题，但离子注入后需要进行激光退火来激活注入的杂质。采用激光退火的原因是激光退火的深度仅限于硅片背面的表面，并且能以较快的速度激活注入杂质，既能保证背面金属化形成良好欧姆接触，又能保证正面的器件不受影响。激光的光源的波长为400nm-600nm，进行激光退火时只发生在硅片背面的表层，一部分激光能量被反射，大部分激光能量被吸收并且发生熔融和结晶的ns级变化，偏振态为线偏振时存在周期性条纹，当偏振态由线偏振变为圆偏振后周期性条纹会基本消失，但由于较大的激光能量的存在会出现背面硅片表面的起伏，不同的能量密度和延迟时间表征对应的起伏程度也有所不同，表面的强度越大破坏性就越大，起伏的程度也就越大。也就是说，能量密度越强经退火后的表面起伏也就越大。

激光退火中关键性工艺指标有三个：退火深度、退火效率和退火均匀性，指标要求：退火均匀性<1％(1Sigma)，退火重复性<1％(1Sigma)，而评价是否是最佳能量则是通过对杂质浓度深度分布来进行精确地测量，二次离子质谱(SIMS)技术以及扩展电阻探针(SRP)技术都具有较高灵敏度、深度分辨率和较广测量范围，评价上述三个指标都可以通过这两种检测技术进行测量，通过变化能量密度等工艺实验可以得到最佳的能量密度，而最佳的能量密度对应硅片表面的起伏的程度也是唯一的有特征的。

激光器的能量密度会随着使用时间而衰减或者受到激光器本身功率的变化，并且能量的大小的感应器也会随着使用时间而发生衰减，能量密度的大小最终影响退火的深度以及退火后的电阻均匀性，而单片的退火电阻均匀性以及片与片的退火后的电阻重复性都有严格指标要求。

现有技术是将探测光照到退火的区域，通过接收到的反射光光强度，来检测硅片表面反射率的变化情况，用于监测硅片表面是否发生有效退火而产生硅片上表面的熔融以及结晶，该方法不具有检测硅片表面形貌的功能。目前检测在退火过程中的激光器能量密度是否发生变化，主要采用扩展电阻探针技术，通过四探针对固定的测试点进行电阻值的测试以评价能量密度是否稳定，但四探针测试会对硅片表面进行破坏并且受到离子注入工艺的影响。

发明内容

本发明提供一种激光能量密度的监测装置及方法，以监测硅片表面的结晶形貌、起伏的程度，进而判断当前使用的激光能量密度，并根据最佳能量密度下的结晶形貌实时调整激光器的能量密度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光能量密度的监测装置，包括：图形监测采集模块，用于在退火过程中对硅片表面产生的微纹进行检测和采集；图形控制模块，对图形监测采集模块采集到的微纹图形进行处理和存储，以获取与该微纹图形对应的实际能量密度；主机电路模块，对从图形控制模块获取的微纹图形的实际能量密度和从激光器中直接获取的能量密度进行计算，并根据计算结果调整激光器的能量密度至最佳。

作为优选，所述图形监测采集模块包括光源和图像探测器，所述光源发出的光束照射到工件台的硅片表面上，经硅片反射后进入到所述图像探测器中。

作为优选，所述光源为LED光源，所述图像探测器为CCD照相机。

作为优选，所述图形控制模块包括：图像获取采集单元，根据微纹图形判断激光退火后的硅片表面是否产生结晶起伏形貌；图像判断单元，判断硅片表面结晶起伏形貌的特征；图像处理单元，根据结晶的形貌特征处理微纹图形，并将处理后的结果输出至图像库单元，所述图像库单元中存储有不同能量密度下的结晶图形；以及图像匹配处理单元，将所述微纹图形匹配存储在图像库单元中不同能量密度对应的结晶图像，得出与该微纹图形对应的能量密度。

作为优选，所述主机电路模块包括：讯号反馈器、计算机和脉冲激光控制器；其中，所述讯号反馈器接收图像匹配处理单元中微纹图形的实际能量密度并反馈至计算机；所述计算机接收微纹图形的实际能量密度，同时直接获取激光器的能量密度，计算得到补偿差值，将该补偿差值反馈至脉冲激光控制器；所述脉冲激光控制器根据得到的补偿差值调整激光器的能量密度。

本发明还提供一种激光能量密度的监测方法，包括：步骤1：退火过程中，对退火后的硅片表面进行图像采集，获取微纹图形；步骤2：对所述微纹图形进行处理分析，得到与该微纹图形对应的能量密度；步骤3：获取激光器的能量密度，计算与该微纹图形对应的能量密度和激光器的能量密度之间的补偿差值，并根据该补偿差值调整激光器的能量密度。

作为优选，所述步骤2包括：判断微纹图形中的硅片表面是否有结晶起伏；若无结晶起伏，图像获取采集单元将信息反馈至图像匹配处理单元，图像匹配处理单元将信息反馈至计算机，进入步骤3；若有结晶起伏，图像判断单元判断结晶的形貌特征为线条状还是圆形状；图像处理单元根据结晶的形貌特征处理微纹图形，并将处理后的结果输出至图像库单元，所述图像库单元中存储有不同能量密度下的结晶图形；图像匹配处理单元将处理后的微纹图形匹配存储在图像库单元中不同能量密度对应的结晶图像，得出与该微纹图形对应的能量密度。

作为优选，结晶的形貌特征为线条状时，图形处理单元的处理步骤包括：对线条进行直线拟合，接着对相邻线段进行搜索和整合，计算微纹图形中的线段总数与间距，从而进行结晶的密集度计算。

作为优选，结晶的形貌特征为圆形状时，图形处理单元的处理步骤包括：首先，判断圆形状结晶是否为嵌套圆，若是，则去除内层嵌套圆，在获取圆心的位置；若否则直接获取圆心位置；接着，计算结晶的总数，从而进行结晶的密集度计算。

与现有技术相比，使用本发明的激光能量密度的监测装置及方法后，激光退火后的硅片不会受到离子注入的影响，不会对硅片表面进行破坏还能实现实时监测以及补偿，极大的节约成本以及提高良率。通过使用退火过程中监测硅片表面微纹调整载片台(承载硅片的工件台)的垂向高度以及激光器输出能量密度使整片硅片在最佳工艺能量密度，提高了制程的良率。此外，通过储存在最佳工艺下的微纹起伏及形貌，并通过检测的图形的对比可以节省后期的测试成本。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式中激光能量密度的监测装置的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中硅片表面监测光斑与退火光斑示意图；

图3为本发明一具体实施方式中图像控制单元的工作原理示意图；

图4为本发明一具体实施方式中对有结晶起伏的微纹图形的处理流程图；

图5a～5e分别为本发明一具体实施方式中不同冲击韧性下硅片表面的结晶分布图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1～3所示，本发明的激光能量密度的监测装置，包括：图形检测采集模块10、图形控制模块20和主机电路模块(图中未标示)。

其中，所述图形检测采集模块10，用于在退火过程中对硅片50表面产生的微纹进行检测和采集；其主要包括光源101、投影装置103和图像探测器102，所述光源101为LED光源，具有使用寿命长的优点，所述LED光源发出的光经投影装置103后照射到退火后的硅片50表面上，经反射后进入到所述图像探测器102中，得到微纹图形，所述图像探测器102为CCD照相机。

请重点参照图3，所述图形控制模块20，用于对图形检测采集模块10采集到的微纹图形进行处理和存储，以获取与该微纹图形对应的实际能量密度。

具体地，所述图形控制模块20包括：图像获取采集单元201、图像判断单元202、图像处理单元203、图像库单元204以及图像匹配处理单元205。其中，所述图像获取采集单元201与所述图像探测器102连接，进而获取探测时硅片50表面的微纹图形，并根据该微纹图形判断激光退火后的硅片50表面是否产生结晶起伏的形貌；若是硅片50表面未产生结晶，则所述图像获取采集单元201直接将信息传递至图像匹配处理单元205，若硅片50表面产生有结晶起伏，所述图像获取采集单元201则将对应信息传递至所述图像判断单元202中。所述图像判断单元202根据该微纹图形判断硅片50表面结晶起伏形貌的特征，即判断该结晶为线条状还是圆形状，判断结果传递至所述图像处理单元203中。

所述图像处理单元203根据图像判断单元202判断出的结晶的形貌特征处理微纹图形，并将处理后的结果输出至图像库单元204，所述图像库单元204中存储有不同能量密度下的结晶图形。所述图像匹配处理单元205将所述微纹图形匹配存储在图像库单元204中不同能量密度对应的结晶图像，得出与该微纹图形对应的能量密度，进而传递给所述主机电路模块。

所述主机电路模块对从图形控制模块20获取的微纹图形的实际能量密度和从激光器40中直接获取的能量密度进行计算，并根据计算结果调整激光器40的能量密度至最佳或者调整工件台601的垂向高度至最佳。具体地，所述主机电路模块包括：讯号反馈器(图中未示出)、计算机301和脉冲激光控制器302；其中，所述讯号反馈器接收图像匹配处理单元205中微纹图形的实际能量密度并反馈至计算机301；所述计算机301接收微纹图形的实际能量密度，同时直接获取激光器40的能量密度，计算得到补偿差值，将该补偿差值反馈至脉冲激光控制器302和/或工件台601的控制系统；所述脉冲激光控制器302根据得到的补偿差值调整激光器40的能量密度，从而使激光器能量密度处于最佳能量密度。或者/同时，所述工件台601的控制系统根据该补偿差值调整工件台601的垂向高度。

需要说明的是，请重点参照图1和图2，所述图形检测采集模块10、图形控制模块20和主机电路模块均设置在曝光装置上，与工件台601上的硅片50位置对应。激光退火过程中，工件台601带动所述硅片50沿Z方向做往复运动，因此退火光斑501沿Z方向对硅片50表面进行退火。因此，可以将硅片50分为若干个沿Z方向的退火长条(如图1所示的硅片50上的黑色部分)，退火装置沿着Z方向对各退火长条进行退火。进一步的，所述工件台601上还设置有长短行程控制器602，所述长短行程控制器602带动所述硅片50沿X方向来回移动。即，当一个退火长条完成退火后，所述长短行程控制器602带动硅片50移动，使得退火装置对下一个退火长条进行退火，依次类推，完成整个硅片50的退火。

进一步的，所述图形检测采集模块10和图形控制模块20之间还设置用于信号增强的中继器70和信号处理装置80，确保激光能量密度的监测过程中的信号准确传递。

请参照图3和图4，并结合图1～2，本发明还提供一种激光能量密度的监测方法，该监测方法采用上述的监测装置，具体包括以下步骤：

步骤1：退火过程中，对退火后的硅片50表面进行图像采集，获取微纹图形。较佳的，本发明对硅片50表面的激光能量密度的监测在退火后即刻进行，具体操作方式为：图2中所示的退火光斑501的大小为3mm×0.1mm，监测光斑502的大小为1.5mm×0.1mm，监测光斑502与退火光斑501同步运动，且监测光斑502的位置在退火光斑501之后且间距相差0.2mm～1mm。

步骤2：对所述微纹图形进行处理分析，得到与该微纹图形对应的能量密度。其中，所述步骤2包括：

步骤21：判断微纹图形中的硅片50表面是否有结晶起伏；若无结晶起伏，图像获取采集单元201将信息反馈至图像匹配处理单元205，图像匹配处理单元205直接将信息反馈至计算机301，进入步骤3；若有结晶起伏，图像判断单元202判断结晶的形貌特征为线条状还是圆形状，然后进入步骤22；

步骤22：图像处理单元203根据结晶的形貌特征处理微纹图形，并将处理后的结果输出至图像库单元204，所述图像库单元204中存储有不同能量密度下的结晶图形；

步骤23：图像匹配处理单元205将处理后的微纹图形匹配存储在图像库单元204中不同能量密度对应的结晶图像，从而得到与该微纹图形对应的能量密度。

步骤3：获取激光器40的能量密度，计算与该微纹图形对应的能量密度和激光器的能量密度之间的补偿差值，并根据该补偿差值调整激光器40的能量密度和/或工件台的垂向高度。

需要说明的是，所述步骤22中，结晶的形貌特征为线条状时，图像处理单元203的处理步骤包括：对线条进行直线拟合，接着对相邻线段进行搜索和整合，计算微纹图形中的线段总数与间距，从而进行结晶的密集度计算。当硅片50表面的结晶的形貌特征为圆形状时，图像处理单元203的处理步骤包括：首先，判断圆形状结晶是否为嵌套圆，若是，则去除内层嵌套圆，再获取圆心的位置；若否则直接获取圆心位置；接着，计算结晶的总数，从而进行结晶的密集度计算。

请重点参照图4，所述步骤22的具体操作如下：

步骤a：采集到微纹图形中的图像；

步骤b：提取图像中的特征区域，如结晶起伏部分；

步骤c：对特征区域进行细长度判断，判断特征区域是线条状还是圆形状，如图5a～5e所示，图中，图5e中的结晶为圆形状，图5d中的结晶为线条状。

步骤d：根据步骤c结果，

若结晶为线条状，则：1)采用直线拟合求得直线参量，可定义图像坐标系，可采用最小二乘等最优化方法进行拟合；2)将斜率和截距相同或者近似满足阈值的曲线合并为一条曲线；3)搜索每条拟合直线相邻的上下两条直线；4)密集度计算：计算相邻直线之间距离，并求得3sigma范围内统计均值。

若结晶为圆形：则1)检测是否存在圆嵌套现象；若存在嵌套，则须先删除内部圆，接着更新圆形区域的总数；2)接着，计算圆心位置、圆大小以及圆区域总数；3)密集度计算，由圆区域总数和圆半径统计3sigma均值获取密集度度量。

步骤e：结果输出，即将该微纹图形的信息传递到图像库单元204中。需要说明的是，对于线条和圆形区域密集度，在检测过程应须进行标定，由标定值给出激光器40的实时参量值，供监测装置进行反馈控制。具体地，对于线型区域，应首先对直线截距与激光器参数之间对应关系进行标定和测较。而对于圆形区域，应给出给定视场区域内圆的个数与激光器参数关系，半径可作为参考变量对密集度进行评估，将结果保存至数据库单元204供算法模块调用；

如图5a～5e所示，其为不同冲击韧性下硅片50表面的微纹图形的结晶图像。其冲击韧性分别为：图5a的冲击韧性值为2×1.2J/cm²，此时硅片50表面未有结晶起伏；图5b的冲击韧性值为2×1.5J/cm²，此时硅片50表面略有起伏，图5c的冲击韧性值为2×1.7J/cm²，此时硅片表面略有线条状结晶；图5d的冲击韧性值为2×2.0J/cm²，此时硅片50表面略有圆形状结晶；图5e的冲击韧性值为2×2.0J/cm²，此时硅片50表面圆形状结晶的直径和密集度均变大。因此，由图5a～5b是在相对能量不高的情况下会产生少量的结晶线微纹形貌，如图5c～5e所示，随着能量密度的增加圆的直径以及圆的密集程度都相应增加。

综上，使用本发明的激光能量密度的监测装置及方法后，激光退火后的硅片不会受到离子注入的影响，不会对硅片表面进行破坏还能实现实时监测以及补偿，极大的节约成本以及提高良率。通过使用退火过程中监测硅片表面微纹调整载片台(承载硅片的工件台)的垂向高度以及激光器输出能量密度使整片硅片在最佳工艺能量密度，提高了制程的良率。此外，通过储存在最佳工艺下的微纹起伏及形貌，并通过检测的图形的对比可以节省后期的测试成本。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种激光能量密度的监测装置，包括：

图形监测采集模块，用于在退火过程中对硅片表面产生的微纹进行检测和采集；

图形控制模块，对图形监测采集模块采集到的微纹图形进行处理和存储，以获取与该微纹图形对应的实际能量密度；

主机电路模块，对从图形控制模块获取的微纹图形的实际能量密度和从激光器中直接获取的能量密度进行计算，并根据计算结果调整激光器的能量密度和/或工件台的垂向高度。

2.如权利要求1所述的激光能量密度的监测装置，其特征在于，所述图形监测采集模块包括光源和图像探测器，所述光源发出的光束照射到工件台的硅片表面上，经硅片反射后进入到所述图像探测器中。

3.如权利要求2所述的激光能量密度的监测装置，其特征在于，所述光源为LED光源，所述图像探测器为CCD照相机。

4.如权利要求1所述的激光能量密度的监测装置，其特征在于，所述图形控制模块包括：

图像获取采集单元，根据微纹图形判断激光退火后的硅片表面是否产生结晶起伏形貌；

图像判断单元，判断硅片表面结晶起伏形貌的特征；

图像处理单元，根据结晶的形貌特征处理微纹图形，并将处理后的结果输出至图像库单元，所述图像库单元中存储有不同能量密度下的结晶图形；

以及

图像匹配处理单元，将所述微纹图形匹配存储在图像库单元中不同能量密度对应的结晶图像，得出与该微纹图形对应的能量密度。

5.如权利要求4所述的激光能量密度的监测装置，其特征在于，所述主机电路模块包括：讯号反馈器、计算机和脉冲激光控制器；其中，

所述讯号反馈器接收图像匹配处理单元中微纹图形的实际能量密度并反馈至计算机；

所述计算机接收微纹图形的实际能量密度，同时直接获取激光器的能量密度，计算得到补偿差值，将该补偿差值反馈至脉冲激光控制器；

所述脉冲激光控制器根据得到的补偿差值调整激光器的能量密度。

6.一种激光能量密度的监测方法，其特征在于，包括：

步骤1：退火过程中，对退火后的硅片表面进行图像采集，获取微纹图形；

步骤2：对所述微纹图形进行处理分析，得到与该微纹图形对应的能量密度；

步骤3：获取激光器的能量密度，计算与该微纹图形对应的能量密度和激光器的能量密度之间的补偿差值，并根据该补偿差值调整激光器的能量密度和/或工件台的垂向高度。

7.如权利要求6所述的激光能量密度的监测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

判断微纹图形中的硅片表面是否有结晶起伏；

若无结晶起伏，图像获取采集单元将信息反馈至图像匹配处理单元，图像匹配处理单元将信息反馈至计算机，进入步骤3；

若有结晶起伏，图像判断单元判断结晶的形貌特征为线条状还是圆形状；

图像处理单元根据结晶的形貌特征处理微纹图形，并将处理后的结果输出至图像库单元，所述图像库单元中存储有不同能量密度下的结晶图形；

图像匹配处理单元将处理后的微纹图形匹配存储在图像库单元中不同能量密度对应的结晶图像，得出与该微纹图形对应的能量密度。

8.如权利要求7所述的激光能量密度的监测方法，其特征在于，结晶的形貌特征为线条状时，图形处理单元的处理步骤包括：对线条进行直线拟合，接着对相邻线段进行搜索和整合，计算微纹图形中的线段总数与间距，从而进行结晶的密集度计算。

9.如权利要求7所述的激光能量密度的监测方法，其特征在于，结晶的形貌特征为圆形状时，图形处理单元的处理步骤包括：首先，判断圆形状结晶是否为嵌套圆，若是，则去除内层嵌套圆，在获取圆心的位置；若否则直接获取圆心位置；接着，计算结晶的总数，从而进行结晶的密集度计算。