CN105810572B - 一种用于离子注入的激光辅助装置及离子注入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离子注入的激光辅助装置，包括：激光器、透光窗、调光组件，离子束对第一区域进行离子注入时，第二激光器对第二区域进行加热；离子束对第二区域进行离子注入时，第一激光器对第一区域进行加热；第一区域或第二区域离子注入完成后，调光组件通过控制对应激光束的光路改变已完成离子注入区域的位置。本发明通过设置两台激光器，透过透光窗对真空腔室内的样品进行加热，使样品表面对应区域达到离子束注入的指定温度，当对某一区域进行离子注入的同时，另一激光器可以对另一区域进行预热，两个激光器交替预热，大大提高了加热效率和离子注入效率，同时光斑定位精度高。

Description

一种用于离子注入的激光辅助装置及离子注入方法

技术领域

本发明涉及激光微加工技术，尤其涉及一种用于离子注入的激光辅助装置及离子注入方法。

背景技术

离子注入是半导体制造中的重要手段，主要用于向衬底中注入一定数量和能量的杂质，以改变衬底中特定区域的电学性能。离子注入设备已经是非常成熟的设备，一般分为高能离子注入设备、高流离子注入设备、中流离子注入设备和低流离子注入设备。由于离子斑点尺寸小、衬底尺寸大，注入设备必须要有扫描装置，才能够形成对衬底的全面均匀注入。现在离子注入设备都是常温离子注入，尚无成型的加温离子注入设备。有些半导体衬底材料在不加温的情况下掺杂物无法注入。

加热方式有很多种，如使用托盘和加热丝进行加热，也可以使用发热灯热辐射加热,还可以使用激光直接对碳化硅样品进行加热。由于注入机腔室的复杂结构，这些加热方法实现起来非常困难，而且会提高腔室内的整体温度，这会对腔室材料、真空密封等有诸多要求。离子注入过程中，首先使用激光直接对碳化硅样品进行加热，预先将碳化硅样品加热到400℃～500℃，然后再进行高能离子注入工艺。由于碳化硅在近紫外到红外段对光的吸收率特别低，难以同时满足加热效率和加热温度。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种加热效率高、加热温度适宜的用于离子注入的激光辅助装置及离子注入方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于离子注入的激光辅助装置，包括：

激光器，包括第一激光器和第二激光器，设于真空腔室外，用于产生激光束对离子注入的样品加热；

透光窗，包括第一透光窗和第二透光窗，设于真空腔室侧壁，供所述第一激光器和所述第二激光器发出的激光束经过；

调光组件，包括第一调光组件和第二调光组件，设于真空腔室内，所述第一调光组件和所述第二调光组件分别用于控制所述第一激光器和所述第二激光器发出的激光束的光路改变，以分别改变样品上被加热的第一区域和第二区域的位置；

其中，离子束对所述第一区域进行离子注入时，所述第二激光器对所述第二区域进行加热；离子束对所述第二区域进行离子注入时，所述第一激光器对所述第一区域进行加热；所述第一区域或所述第二区域离子注入完成后，所述调光组件通过控制对应激光束的光路改变已完成离子注入区域的位置。

其中，所述透光窗为镀有350nm～10.6μm增透膜的石英材料。

其中，所述第一调光组件和所述第二调光组件均包括扩束装置和光路调整组件。

其中，该激光辅助装置还包括两个温度探测装置，分别用于检测样品表面所述第一区域和所述第二区域的温度。

其中，该激光辅助装置还包括托盘，所述托盘设于真空腔室内，用于承载样品，激光束透过样品对所述托盘加热以传递热量给样品。

其中，所述托盘为钨钼类耐高温低膨胀系数合金。

其中，该激光辅助装置还包括与所述托盘相对固定的调节装置，用于带动所述托盘上下移动或左右移动或旋转。

同时，本发明还提供一种离子注入方法，包括步骤：

S01、第一激光器对托盘对应于样品的第一区域的部位加热，第二激光器对托盘对应于样品的第二区域的部位加热；

S02、温度探测装置检测所述第一区域和所述第二区域处样品的温度，并分别反馈给所述第一激光器和所述第二激光器的功率调节装置，以自动调节所述第一激光器和所述第二激光器的功率，使样品对应区域的温度保持在指定温度；

S03、离子束对所述第一区域进行离子注入；

S04、离子束对所述第二区域进行离子注入，第一调光组件改变所述第一激光器的激光束的光路以改变所述第一区域在样品上的位置；

S05、重复执行步骤S02。

其中，样品的所述第一区域和所述第二区域的大小不同。

其中，样品在所述第一区域的指定温度与所述第二区域的指定温度不同。

本发明通过设置两台激光器，透过透光窗对真空腔室内的样品进行加热，使样品表面对应区域达到离子束注入的指定温度，当对某一区域进行离子注入的同时，另一激光器可以对另一区域进行预热，两个激光器交替预热，大大提高了加热效率和离子注入效率；同时通过调光组件控制两台激光器的激光束的光路，可以精确控制激光器在样品表面的加热区域，光斑定位精度高。

附图说明

图1为本发明实施例的离子注入设备的结构示意图。

图2为本发明实施例的离子注入方法原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的用于离子注入的激光辅助装置包括：激光器、透光窗和调光组件，参阅图1，激光器包括第一激光器10和第二激光器11，设于真空腔室外，用于产生激光束对离子注入的样品200加热；透光窗包括第一透光窗20和第二透光窗21，设于真空腔室侧壁100，供第一激光器10和第二激光器11发出的激光束经过；调光组件包括第一调光组件30和第二调光组件31，设于真空腔室内，第一调光组件30和第二调光组件31分别用于控制第一激光器10和第二激光器11发出的激光束的光路改变，以分别改变样品200上被加热的第一区域S1和第二区域S2的位置。其中，离子束R对第一区域S1进行离子注入时，第二激光器11对第二区域S2进行加热；离子束R对第二区域S2进行离子注入时，第一激光器10对第一区域S1进行加热；第一区域S1或第二区域S2离子注入完成后，调光组件通过控制对应激光束的光路改变已完成离子注入区域的位置。

离子束R对第一区域S1和第二区域S2交替地进行离子注入，第一区域S1或第二区域S2其中的一个完成离子注入后，相应的调光组件3控制第一区域S1和第二区域S2中完成注入的区域的改变发生位置，同时离子束R对第一区域S1和第二区域S2中未完成注入的区域进行注入。

优选地，激光器波长范围为300nm-10.6μm，透光窗为镀有350nm～10.6μm增透膜的透明石英材料。

第一调光组件30和第二调光组件31均包括扩束装置和光路调整组件，具体地，第一调光组件30和第二调光组件31的扩束装置分别包括透镜30a、31a，第一调光组件30和第二调光组件31的光路调整组件分别包括反射器30b、31b。

激光辅助装置还包括两个温度探测装置50，分别用于检测样品200表面第一区域S1和第二区域S2的激光斑点的温度，并分别反馈给第一激光器10和第二激光器11的功率调节装置(图未示)自动调节相应激光器的功率，从而使样品200的温度保持在指定温度范围内。

真空腔室内还设有托盘40，用于承载样品200，激光束透过样品200对托盘40加热以传递热量给样品200。优选地，托盘40为钨钼类耐高温低膨胀系数合金，热膨胀系数在2.5～10×10^-6m/mK，软化温度的温度范围在1500～3000℃，可以保证托盘与样品在加热过程中能够良好接触。该样品200为碳化硅材料，其热传导系数高，热膨胀系数小，托盘40与样品200紧密贴合进行热传导从而使样品200被间接加热。可以理解的是，该激光辅助装置还可以用于对碳化硅以外的其他350nm～10.6μm波段吸收较小的材料进行加热离子注入。

优选地，该激光辅助装置还包括与托盘40相对固定的调节装置60，用于带动托盘40上下移动或左右移动或旋转，使得样品200可以沿一定方式移动。用于离子注入的样品靶台有规律地匀速旋转运动，当某一台激光器加热的靶材区域到达温度要求后，即可进行离子注入，另一台激光器则通过温度探测装置50结合调光组件将激光束照射方向调整到下一个需要进行离子注入的区域进行加热，两台激光器交替进行预热。

同时，本发明还提供一种离子注入方法，如图2所示，该注入方法包括：

S01、第一激光器10对托盘40对应于样品200的第一区域S1的部位加热，第二激光器11对托盘40对应于样品200的第二区域S2的部位加热；

S02、温度探测装置50检测第一区域S1和第二区域S2处样品200的温度，并分别反馈给第一激光器10和第二激光器11的功率调节装置，以自动调节第一激光器10和第二激光器11的功率，使样品200对应区域的温度保持在指定温度；

S03、离子束R对第一区域S1进行离子注入；

S04、离子束R对第二区域S2进行离子注入，第一调光组件30改变第一激光器10的激光束的光路以改变第一区域S1在样品200上的位置；

S05、重复执行步骤S02。

该注入方法中，样品200的第一区域S1和第二区域S2的大小可以不同，样品200在第一区域S1的指定温度与第二区域S2的指定温度也可以设置不同。

本发明通过使用激光器加热承载样品的托盘，对离子注入斑点重叠部分的样品托盘局部快速加热，通过选用对输出的激光吸收系数高的托盘材料，使加热温升更容易，不会影响注入机真空腔室的环境温度，结构简单且易于实现；同时，通过设置两台激光器，透过透光窗对真空腔室内的样品进行加热，使样品表面对应区域达到离子束注入的指定温度，当对某一区域进行离子注入的同时，另一激光器可以对另一区域进行预热，两个激光器交替预热，大大提高了加热效率和离子注入效率；同时通过调光组件控制两台激光器的激光束的光路，可以精确控制激光器在样品表面的加热区域，光斑定位精度高。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于离子注入的激光辅助装置，其特征在于，包括：

激光器，包括第一激光器(10)和第二激光器(11)，设于真空腔室外，用于产生激光束对离子注入的样品(200)加热；

透光窗，包括第一透光窗(20)和第二透光窗(21)，设于真空腔室侧壁(100)，供所述第一激光器(10)和所述第二激光器(11)发出的激光束经过；

调光组件，包括第一调光组件(30)和第二调光组件(31)，设于真空腔室内，所述第一调光组件(30)和所述第二调光组件(31)分别用于控制所述第一激光器(10)和所述第二激光器(11)发出的激光束的光路改变，以分别改变样品(200)上被加热的第一区域(S1)和第二区域(S2)的位置；

托盘(40)，设于真空腔室内，用于承载样品(200)，激光束透过样品(200)对所述托盘(40)加热以传递热量给样品(200)；

调节装置(60)，与所述托盘(40)相对固定，用于带动所述托盘(40)上下移动或左右移动或旋转；

其中，离子束(R)对所述第一区域(S1)进行离子注入时，所述第二激光器(11)对所述第二区域(S2)进行加热；所述样品(200)在所述调节装置(60)的带动下随所述托盘(40)移动，离子束(R)对所述第二区域(S2)进行离子注入时，所述第一激光器(10)对所述第一区域(S1)进行加热；所述第一区域(S1)或所述第二区域(S2)离子注入完成后，所述调光组件通过控制对应激光束的光路改变已完成离子注入区域的位置。

2.根据权利要求1所述的激光辅助装置，其特征在于，所述透光窗为镀有350nm～10.6μm增透膜的石英材料。

3.根据权利要求1所述的激光辅助装置，其特征在于，所述第一调光组件(30)和所述第二调光组件(31)均包括扩束装置和光路调整组件。

4.根据权利要求1所述的激光辅助装置，其特征在于，还包括两个温度探测装置(50)，分别用于检测样品(200)表面所述第一区域(S1)和所述第二区域(S2)的温度。

5.根据权利要求1-4任一所述的激光辅助装置，其特征在于，所述托盘(40)为钨钼类耐高温低膨胀系数合金。

6.一种权利要求1-5任一所述的用于离子注入的激光辅助装置的离子注入方法，其特征在于，包括步骤：

S01、第一激光器(10)对托盘(40)对应于样品(200)的第一区域(S1)的部位加热，第二激光器(11)对托盘(40)对应于样品(200)的第二区域(S2)的部位加热；

S02、温度探测装置(50)检测所述第一区域(S1)和所述第二区域(S2)处样品(200)的温度，并分别反馈给所述第一激光器(10)和所述第二激光器(11)的功率调节装置，以自动调节所述第一激光器(10)和所述第二激光器(11)的功率，使样品(200)对应区域的温度保持在指定温度；

S03、离子束(R)对所述第一区域(S1)进行离子注入；

S04、离子束(R)对所述第二区域(S2)进行离子注入，第一调光组件(30)改变所述第一激光器(10)的激光束的光路以改变所述第一区域(S1)在样品(200)上的位置；

S05、重复执行步骤S02。

7.根据权利要求6所述的离子注入方法，其特征在于，样品(200)的所述第一区域(S1)和所述第二区域(S2)的大小不同。

8.根据权利要求6所述的离子注入方法，其特征在于，样品(200)在所述第一区域(S1)的指定温度与所述第二区域(S2)的指定温度不同。