CN105448681A - 激光退火装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种激光退火装置。包括激光光源、前端光学器件及能量补偿光学单元，激光光源发出的光束经所述前端光学器件整形、偏振调节成P偏振光或S偏振光入射能量补偿光学单元，通过能量补偿光学单元实现入射光束多次入射硅片。本发明通过将反射光补偿使得表面最大吸收，最小化光学吸收差异，解决了入射角度的局限性，且S偏振光和P偏振光都能够被使用，因此提高了激光退火装置的适应性。

Description

激光退火装置

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，特别是涉及一种用于退火工艺中的激光退火装置。

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(CMOS)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。

激光退火采用激光扫描整片硅片，在很短的时间在较小的区域产生热量，并使温度正好低于硅的熔点，之后冷却过程亦在很短时间能完成，驻留时间在几百微秒，是一种有效地无扩散工艺。由于驻留时间极短，为扩散提供驱动力的温差在错位前就会消失，可以减小硅片应力。对于毫秒退火，最重要的成品率问题包括图形的相关性，加工工艺中的硅片具有图形结构，包括绝缘层和各种离子注入，其改变了薄膜的光学反射率，随之而来的光学吸收量和升温速度的改变。一些集成方案采用吸收层来弥补这种表面光学属性，这使得工艺成本和成品率风险大大增加。

美国专利US2013/0196455A1公开的采用波长10.6um的CO₂激光器P偏振布儒斯特角入射硅片，从而使得表面最大吸收，最小化光学吸收差异。但是这一方法局限于P偏振光、采用布儒斯特角入射硅片，因此还需要进行改善。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种激光退火装置，使得入射角的范围更为宽阔，且能够改善表面吸收和光学吸收差异。

本发明的另一目的在于，提供一种激光退火装置，不局限于仅适用于P偏振光进行入射，提高装置的适用性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光退火装置，用于对放置于工件台上的硅片进行退火，包括：

激光光源、前端光学器件及能量补偿光学单元，激光光源发出的光束经所述前端光学器件整形、偏振调节成P偏振光或S偏振光入射能量补偿光学单元，通过能量补偿光学单元实现入射光束多次入射硅片。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述能量补偿光学单元包括：偏振分光棱镜、第一透镜、第二透镜，1/4波片和第二反射镜，光束经过偏振分光棱镜和第一透镜后投射在硅片上，经硅片反射后依次经过第二透镜和1/4波片投射至第二反射镜。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述能量补偿光学单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜位于偏振分光棱镜一侧，且在偏振分光棱镜与第一透镜连线靠近硅片的一侧。

可选的，对于所述的激光退火装置，入射的偏振光为P偏振激光束，经偏振分光棱镜、第一透镜后成P偏振激光束入射至硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成S偏振激光束再次入射硅片表面并反射，反射光束入射第一透镜、偏振分光棱镜，经第一反射镜反射；反射后入射偏振分光棱镜、第一透镜，成S偏振激光束第三次入射硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成P偏振激光束第四次入射硅片表面并反射，反射光束经第一透镜、偏振分光棱镜后离开能量补偿光学单元。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述能量补偿光学单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜位于偏振分光棱镜与第一透镜连线上远离第一透镜的一侧。

可选的，对于所述的激光退火装置，入射的偏振光为S偏振激光束，经偏振分光棱镜、第一透镜后成S偏振激光束入射至硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成P偏振激光束再次入射硅片表面并反射，反射光束入射第一透镜、偏振分光棱镜，经第一反射镜反射；反射后入射偏振分光棱镜、第一透镜，成P偏振激光束第三次入射硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成S偏振激光束第四次入射硅片表面并反射，反射光束经第一透镜、偏振分光棱镜后离开能量补偿光学单元。

可选的，对于所述的激光退火装置，入射的偏振光为P偏振激光束，经偏振分光棱镜、第一透镜后成P偏振激光束入射至硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经反第二射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成S偏振激光束再次入射硅片表面并反射，反射光束经过第一透镜、偏振分光棱镜后离开能量补偿光学单元。

可选的，对于所述的激光退火装置，所述前端光学器件包括衰减器，准直扩束镜组，匀光器和偏振调节单元，光束依次入射并形成所需类型的偏振光。

与现有技术相比，本发明提供的激光退火装置中，包含能量补偿光学单元，能使硅片表面反射光通过反馈能量补偿光学单元循环入射硅片面。相比现有技术，本发明通过将反射光补偿使得表面最大吸收，最小化光学吸收差异。此外，所述能量补偿光学单元与硅片表面形成的入射角有着较大的范围，解决了局限于布儒斯特角入射的状况，且S偏振光和P偏振光都能够被使用，可取得与特定的布儒斯特角入射相当的作用效果，因此提高了激光退火装置的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例的激光退火装置的示意图；

图2为本发明第一实施例中能量补偿光学单元的示意图；

图3为第一实施例中相同复折射不同入射次数下不同入射角对应无量纲透射能量密度的关系图；

图4为第一实施例中相同入射角下不同折射率对应无量透射能量密度的关系图；

图5为本发明第二实施例中能量补偿光学单元的示意图；

图6为第二实施例中不同折射率对应无量透射能量密度的关系图；

图7为本发明第三实施例中能量补偿光学单元的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的激光退火装置进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。

本发明的核心思想是，提供一种激光退火装置，用于对放置于工件台上的硅片进行退火，包括：激光光源、前端光学器件及能量补偿光学单元，激光光源发出的光束经所述前端光学器件整形、偏振调节成偏振光入射能量补偿光学单元，通过能量补偿光学单元实现入射光束多次入射硅片。

以下列举所述激光退火装置的较优实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

基于上述思想，下面提供激光退火装置的较优实施例，请参考图1，图1为本发明中的激光退火装置的示意图。如图1所示，包括：激光光源10、前端光学器件200及能量补偿光学单元60，硅片70放置于工件台80上，激光光源10例如可以发射出红外光、可见光或者紫外光，发出的光束经所述前端光学器件200整形、偏振调节成偏振光入射能量补偿光学单元60，通过能量补偿光学单元60实现入射光束多次入射硅片70。

所述前端光学器件200包括衰减器20，准直扩束镜组30，匀光器40和偏振调节单元50，光束依次入射并出射后形成所需类型的偏振光。下面结合多个实施例进行详细说明。

请参考图2，所述能量补偿光学单元60包括：偏振分光棱镜602、第一透镜603、第二透镜604，1/4波片605和第二反射镜606，光束经过偏振分光棱镜602和第一透镜603后投射在硅片70上，经硅片70反射后依次经过第二透镜604和1/4波片605投射至第二反射镜606。

如图2所示的本发明第一实施例为优选实施例，其中，所述能量补偿光学单元还包括第一反射镜601，所述第一反射镜601位于偏振分光棱镜602一侧，且在偏振分光棱镜602与第一透镜603连线靠近硅片70的一侧。调节前端光学器件200使得入射的偏振光为P偏振激光束100，经偏振分光棱镜602、第一透镜603后成P偏振激光束101入射至硅片70表面并反射，反射光束102入射第二透镜604、1/4波片605，经第二反射镜606反射；反射后入射1/4波片605、第二透镜604，成S偏振激光束103再次入射硅片70表面并反射，反射光束104入射第一透镜603、偏振分光棱镜602，经第一反射镜601反射；反射后入射偏振分光棱镜602、第一透镜603，成S偏振激光束105第三次入射硅片70表面并反射，反射光束106入射第二透镜604、1/4波片605，经第二反射镜606反射；反射后入射1/4波片605、第二透镜604，成P偏振激光束107第四次入射硅片70表面并反射，反射光束108经第一透镜603、偏振分光棱镜602后离开能量补偿光学单元。

本发明中入射光在硅片70表面的反射情况如下：定义环境空气折射率为n₀，器件材料的折射率为n₁，入射角θ₀，折射角θ₁。根据菲涅耳公式，P偏振和S偏振条件下，介质n₀、n₁分界面的反射率R和透射率T分别为：

$R_s=\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1)},T_s=\frac{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_1}{n_0\cos {\mathrm{\θ}}_0}\·\frac{4{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_0}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1)}---\left(1\right)$

$R_P=\frac{{\mathrm{tg}}^2({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)}{{\mathrm{tg}}^2({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1)},T_P=\frac{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_1}{n_0\cos {\mathrm{\θ}}_0}\·\frac{4{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_0}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1){\cos }^2({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1)}---\left(2\right)$

其中入射角和折射角满足关系式n₀/n₁＝sinθ₁/sinθ₀，下标S、P分别表示S偏振情况和P偏振情况。

设一次入射和四次入射情况下，无量纲透射能量密度分别为I₁和I₂，根据公式(1)和(2)，可知：

I₁＝T_p，

I₂＝T_p+R_p×T_s+R_p×R_s×T_s+R_p×R_s×R_s×T_p。

请结合图3，示出了在相同复折射率不同入射次数下不同入射角对应无量纲透射能量密度的关系。从图中曲线可以看出，在使用能量补偿光学单元情况，任意角度下表面吸收要优于一次入射条件下的值，且四次入射优于二次入射。例如在45°入射时，入射角度波动±1°之间，一次入射表面吸收波动(即在44°～46°范围内无量纲透射能量密度最大值和最小值之差与最大值和最小值之和的比值，下文同理)0.889％，二次入射表面吸收波动0.189％，四次入射表面吸收波动0.052％。例如在60°入射时，入射角度波动±1°之间，一次入射表面吸收波动1.152％，二次入射表面吸收波动0.484％，四次入射表面吸收波动0.095％。通过能量补偿光学单元收集反射光补偿硅片，其对入射角度波动的抗干扰性能优于未使用的，且进行三次补偿(即四次入射)的优于一次补偿(即二次入射)的。采用能量补偿光学单元，将反射光三次收集进行补偿入射，最大化表面吸收，从而有利于获得较佳的退火效果。虽然入射角为布儒斯特角时能够获得理论上的最大化表面吸收，但是在本实施例中，通过反射补偿，入射角度不必严格控制在布儒斯特角附近，依然能够获得可以接收的表面吸收效果，从而有着更强的适应性。

请结合图4，示出了相同入射角下不同折射率对应无量透射能量密度的关系。从图中曲线可以看出，两种入射角度下，四次入射较一次入射无量纲透射能量密度均得到了有效提高，同时采用能量补偿光学单元形成四次入射时，材料折射率波动引起的光学吸收差异被弱化。折射率最大/最小两极端情况下，在45°入射时，一次入射表面吸收波动14.66％，四次入射表面吸收波动3.13％，在60°入射时，一次入射表面吸收波动11.28％，四次入射表面吸收波动1.99％。四次入射时一方面提高了光学吸收，同时降低了光学属性差异引起的光学吸收波动。考虑到60°入射优于45°入射情况，因此，在实际应用中，激光退火装置优选大角度入射。

请参考图5，其示出了本发明第二实施例，本实施例亦为一较佳实施例，为了简便，本实施例与第一实施例相同或相似的模块采用相同的标号，并省略相应说明。所述能量补偿光学单元还包括第一反射镜601，所述第一反射镜601位于偏振分光棱镜602与第一透镜603连线上远离第一透镜603的一侧。调节前端光学器件200使得入射的偏振光为S偏振激光束100，经偏振分光棱镜602、第一透镜603后成S偏振激光束101入射至硅片70表面并反射，反射光束102入射第二透镜604、1/4波片605，经第二反射镜606反射；反射后入射1/4波片605、第二透镜604，成P偏振激光束103再次入射硅片70表面并反射，反射光束104入射第一透镜603、偏振分光棱镜602，经第一反射镜601反射；反射后入射偏振分光棱镜602、第一透镜603，成P偏振激光束105第三次入射硅片70表面并反射，反射光束106入射第二透镜604、1/4波片605，经第二反射镜606反射；反射后入射1/4波片605、第二透镜604，成S偏振激光束107第四次入射硅片70表面并反射，反射光束108经第一透镜603、偏振分光棱镜602后离开能量补偿光学单元。

请结合图6，示出了S光入射下不同折射率对应无量透射能量密度的关系。从图中曲线可以看出，S光入射能量补偿光学单元后，四次入射与一次入射比较可知，硅片的表面吸收提高两倍以上，而在折射率最大/最小两极端情况下，一次入射表面吸收波动22.5％，四次入射表面吸收波动1.99％。四次入射情况下，首次入射能量补偿光学单元的光束偏振态不影响最终的作用效果。

请参考图7，其示出了本发明的第三实施例，为了简便，本实施例与第一实施例相同或相似的模块采用相同的标号，并省略相应说明。入射的偏振光100为P偏振激光束，经偏振分光棱镜602、第一透镜603后成P偏振激光束101入射至硅片70表面并反射，反射光束102入射第二透镜604、1/4波片605，经反第二射镜606反射；反射后入射1/4波片605、第二透镜604，成S偏振激光束103再次入射硅片70表面并反射，反射光束104经过第一透镜603、偏振分光棱镜602后离开能量补偿光学单元。

在本实施例中，能量补偿光学单元得到了简化，同样的光线在硅片上的反射次数也减少。但是结合第一实施例不难看出，本实施例采用了一次补偿入射硅片，相比一次反射，依然能够起到较好的效果。

显然，本领域的技术人员可以对本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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种激光退火装置，用于对放置于工件台上的硅片进行退火，包括：

激光光源、前端光学器件及能量补偿光学单元，激光光源发出的光束经所述前端光学器件整形、偏振调节成P偏振光或S偏振光入射能量补偿光学单元，通过能量补偿光学单元实现入射光束多次入射硅片。

2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述能量补偿光学单元包括：偏振分光棱镜、第一透镜、第二透镜，1/4波片和第二反射镜，光束经过偏振分光棱镜和第一透镜后投射在硅片上，经硅片反射后依次经过第二透镜和1/4波片投射至第二反射镜。

3.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述能量补偿光学单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜位于偏振分光棱镜一侧，且在偏振分光棱镜与第一透镜连线靠近硅片的一侧。

4.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，入射的偏振光为P偏振激光束，经偏振分光棱镜、第一透镜后成P偏振激光束入射至硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成S偏振激光束再次入射硅片表面并反射，反射光束入射第一透镜、偏振分光棱镜，经第一反射镜反射；反射后入射偏振分光棱镜、第一透镜，成S偏振激光束第三次入射硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成P偏振激光束第四次入射硅片表面并反射，反射光束经第一透镜、偏振分光棱镜后离开能量补偿光学单元。

5.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述能量补偿光学单元还包括第一反射镜，所述第一反射镜位于偏振分光棱镜与第一透镜连线上远离第一透镜的一侧。

6.如权利要求5所述的激光退火装置，其特征在于，入射的偏振光为S偏振激光束，经偏振分光棱镜、第一透镜后成S偏振激光束入射至硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成P偏振激光束再次入射硅片表面并反射，反射光束入射第一透镜、偏振分光棱镜，经第一反射镜反射；反射后入射偏振分光棱镜、第一透镜，成P偏振激光束第三次入射硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经第二反射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成S偏振激光束第四次入射硅片表面并反射，反射光束经第一透镜、偏振分光棱镜后离开能量补偿光学单元。

7.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，入射的偏振光为P偏振激光束，经偏振分光棱镜、第一透镜后成P偏振激光束入射至硅片表面并反射，反射光束入射第二透镜、1/4波片，经反第二射镜反射；反射后入射1/4波片、第二透镜，成S偏振激光束再次入射硅片表面并反射，反射光束经过第一透镜、偏振分光棱镜后离开能量补偿光学单元。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的激光退火装置，其特征在于，所述前端光学器件包括衰减器，准直扩束镜组，匀光器和偏振调节单元，光束依次入射并形成所需类型的偏振光。