CN105990195A - 减少激光退火的脉冲激光束轮廓的非均匀性的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是公开减少激光退火的脉冲激光束轮廓的非均匀性的系统及方法。所述的方法包含沿光轴定向初始脉冲式激光束，及对每个光脉冲施加相对于所述的光轴的随时间变化的角度偏转量。如此形成新激光束，其中每个光脉冲在空间偏转量δ上可被抹平，此空间偏转量δ足够减少激光束的微观尺度强度变化。此新激光束被用以形成线图像，和使用初始激光束所形成的线图像相比，新激光束所形成的线图像具有较佳的强度均匀性。

Description

减少激光退火的脉冲激光束轮廓的非均匀性的系统及方法

技术领域

本发明是关于激光退火，特别是关于使用脉冲式激光束的激光退火中减少

光束轮廓的非均匀性的系统及方法。

本文所提及的任何出版物或专利文件的全部公开在这里通过引用被并入，

包括美国专利号6,747,245；7,098,155；7,157,660；7,763,828；8,014,427；8,026,519；8,309,474；8,501,638；8,546,805；8,691,598及美国公开号2013/0330844。

背景技术

激光退火(也称为激光尖峰退火，激光热退火，激光热加工等)，是用于半导体制造的各种应用中，包括在形成有源微电路，如晶体管及相关类型的半导体特征时，在半导体晶片中形成的器件(结构)的选定区域中活化掺杂物。

一种激光退火是有关于线形强度轮廓的形成，此强度轮廓通过移动线图像、移动半导体晶片或二种移动的组合而扫描于半导体晶片上。线图像在垂直于线图像长轴的“扫描方向”上扫描。线图像在扫描方向上(即，线图像的短轴)的一些空间上的强度变化是可以容忍的，因为当线图像在半导体晶片上移动时，此非均匀性是可被平均化。另一方面，线图像在“跨扫描”(cross-scan)方向上的强度轮廓在空间上的变化需被严格控制，使得在线图像的扫描路径上可实现一致均匀的退火效果。

在形成线图像时，具有高斯强度轮廓的脉冲式激光束需被成形为平顶或超高斯的强度轮廓。这可以通过光束均匀化并且然后重新组合这些小波而完成，而光束均匀化是利用微透镜数组或光导管(light pipe)将入射光束分成多个小波。多个小波重叠后可产生宏观上均匀的光束。然而，即使激光束是相干的，仍会因为干涉效应，如斑点(speckle)，而使光束轮廓有微观尺度上的非均匀性。

图1A是晶片表面所位于的图像平面处形成的示例线图像的现有技术的强度轮廓I(x)相对于x的示例曲线图。图1A的曲线图示意地绘示当强度轮廓在小尺度下观看时能够被看到的示例的微观尺度强度变化I_m(x)，即，与宏观尺度相比下，小尺度下通常是指介于一微米(μm)的一部分至数十微米(μm)的范围中，宏观尺度是在大约1毫米(mm)至数十毫米的范围中测量。这些微观尺度强度变化是难以消除的，特别是在退火过程中使用短光脉冲时。

发明内容

本发明是公开减少用于激光退火的脉冲式激光束轮廓的非均匀性的系统及方法。本发明所公开的方法包括定向第一或初始脉冲式激光束以使其沿着光轴，及对每一光脉冲施加随时间变化且相对于光轴的角度偏转量。如此形成新的(即，偏转的)激光束，其中每一光脉冲在空间偏转量δ上可被抹平(smear out)，此空间偏转量δ足够减少激光束的微观尺度强度变化。此新的(偏转的)激光束被用以形成线图像，和使用初始激光束所形成的线图像相比之下，具有较佳的强度均匀性。

本发明所公开之一概念是一种当形成线图像时减少微观尺度强度变化的方法，所述的线图像被用以执行半导体基板的激光退火，所述的方法包含：a)定向激光束以使其沿着光轴，其中激光束具有波长λ且包含光脉冲，光脉冲具有在10ns至10μs的范围中的时间脉冲长度τ；b)施加相对于光轴的变化的角度偏转量于每个光脉冲，以使每一光脉冲在空间偏转量δ之上被抹平，相比于无角度偏转量，空间偏转量δ足够以至少1.5X均方根(RMS)的因子减少激光束的微观尺度强度变化，且其中δ≤100μm；且c)使用形成于动作b)的激光束以形成所述的线图像。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中施加变化的角度偏转量的动作b)包含使激光束通过光束重定向元件或使激光束被光束重定向元件所反射。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中所述的光束重定向元件包含声光调制器或电光调制器。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中所述的微观尺度强度变化具有调制周期p_s，是在λ/4≤p_s≤40λ的范围中，且其中δ≥p_s。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中所述的微观尺度强度变化具有调制周期p_s，是在λ/2≤p_s≤20λ的范围中。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，进一步包含在施加所述的变化的角度偏转量于激光束的光脉冲之前或之后，执行激光束的光束调节。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中形成线图像包含使已偏转的激光束通过中继光学系统。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中所述的微观尺度强度变化是在二个正交的方向中发生的，且其中动作b)是使用光束重定向元件而执行，光束重定向元件被导向至相对于光轴的角度，使得所述的微观尺度强度变化在二个正交的方向上被减少。

本发明所公开的另一概念是一种激光退火系统，该激光退火系统使用由激光束所形成的线图像来退火半导体基板的表面。所述的激光退火系统包含：激光系统，发射激光束，激光束具有光脉冲，每个光脉冲具有波长λ及时间宽度τ，且其中激光束包含强度轮廓，强度轮廓具有第一微观尺度强度变化量，所述的微观尺度强度变化具有在λ/4≤p_s≤40λ的范围中的调制周期p_s；光束重定向元件，被设置以接收光脉冲，且针对每个光脉冲该光束重定向元件使激光束有随时间变化的空间偏转量δ，其中p_s≤δ≤100μm，由此形成已偏转的光束，已偏转的光束具有第二微观尺度强度变化量且该第二微观尺度强度变化量小于第一微观尺度强度变化量；中继光学系统，被设置以接收已偏转的光束且由所述的已偏转的光束形成线图像于像平面，所述半导体基板的表面位于所述像平面处；以及控制器，操作地连接到光束重定向元件及激光系统，控制器被设置以将来自激光系统的光脉冲的发射与光束重定向元件的操作同步，以针对每个光脉冲执行随时间变化的空间偏转量δ。

本发明所公开的另一概念是如上所述的激光退火系统，其中所述的光束重定向元件包含声光偏转器或电光偏转器。

本发明所公开的另一概念是如上所述的激光退火系统，其中第一微观尺度强度变化量具有在λ/2≤p_s≤20λ的范围中的调制周期p_s。

本发明所公开的另一概念是如上所述的激光退火系统，其中中继光学系统具有1∶1的放大率。

本发明所公开的另一概念是如上所述的激光退火系统，其中λ＝532nm。

本发明所公开的另一概念是如上所述的激光退火系统，进一步包含刀刃光圈，其中所述的已偏转的光束通过刀刃光圈，刀刃光圈限定线图像之长度。

本发明所公开的另一概念是如上所述的激光退火系统，其中第二微观尺度强度变化量以至少1.5X均方根(RMS)的因子小于第一微观尺度强度变化量。

本发明所公开的另一概念是一种减少激光束中的微观尺度强度变化的方法，激光光束被用于半导体晶片的退火，所述的方法包含：自激光源产生激光束，激光束具有波长λ且包含光脉冲，其中激光束具有微观尺度强度变化量，所述微观尺度强度变化量具有在λ/4到40λ的范围中的调制周期p_s；施加随时间变化的空间偏转量δ至每个光脉冲，以通过使每个光脉冲通过光束重定向元件来形成已偏转的光束，光束重定向元件是与激光源同步启动，其中p_s≤δ；且由已偏转的光束形成线图像于像平面。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中δ≤100μm。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中形成线图像包含使已偏转的光束通过刀刃光圈，同时将刀刃光圈映像于中继光学系统的像平面。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中所述的微观尺度强度变化具有均方根值，且其中在所述刀刃光圈处测量的所述已偏转的光束中的所述微观尺度强度变化的所述均方根值，相比于在所述刀刃光圈处测量的未偏转的光束，以至少介于1.5X至5X的范围中的因子减少。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中所述的光脉冲具有重复率f_rep，且其中施加随时间变化的空间偏转量δ包含以重复率f_{a_rep}来驱动光束重定向元件，其中重复率f_{a_rep}与光脉冲的重复率相同或为所述的重复率的谐波。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中所述的光束重定向元件为基于声学的或基于电光的。

本发明所公开的另一概念是一种当以线图像执行半导体晶片的激光退火时，减少微观尺度强度变化的方法，所述的方法包含：定向第激光束以使其沿着光轴，第一激光束具有光脉冲及第一微观尺度强度变化；对每一光脉冲施加随时间变化且相对于光轴的角度偏转量，由此在空间偏转量δ上抹平每一光脉冲以形成第二激光束，第二激光束具有第二微观尺度强度变化，第二微观尺度强度变化小于第一微观尺度强度变化；且使用第二激光束形成线图像。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中第一微观尺度强度变化具有均方根(RMS)值，且其中在第二激光束的微观尺度强度变化，相对于第一激光束，以至少介于1.5X至5X的范围中的因子减少。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中第一微观尺度强度变化具有调制周期p_s，且其中p_s≤δ。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中第一激光束具有波长λ且λ/4≤p_s≤40λ。

本发明所公开的另一概念是如上所述的方法，其中δ≤100μm。

额外的特征及优点会于以下实施方式中提出，且基本上对本领域技术人员，从本说明书能轻易了解，或通过实施描述于本说明书的以下的实施方式、权利要求以及随附附图中的实施例也能有所认知。权利要求构成本说明书之一部分，并由此被结合到实施方式中作为参考。应理解的是，以上的一般说明及以下的实施方式仅作示例之用，且其目的在提供概述或架构以了解所述权利要求的本质与特征。

附图说明

随附的附图被包含以提供本发明内容的进一步理解，并被并入且构成本说明书的一部分。附图绘示本发明的一个或多个实施例，且与“具体实施方式”一起解释各实施例的原理与操作。因此，从下述的“具体实施方式”，并结合随附的附图，本发明内容将更能被充分了解，其中：

图1A为示例激光束的示意强度轮廓曲线图，在激光退火系统中，此激光束被用以形成线图像，其中的特写插图示出由干涉效应所引起的微观尺度强度变化I_m(x)；

图1B类似于图1A，但其示出微观尺度强度变化I’_m(x)通过本发明所公开的光束重定向系统及方法如何被大为地减少；

图2为示例激光退火系统的示意图，其包括光束重定向元件，是用于减少用于退火半导体晶片的脉冲式激光束轮廓中的非均匀性；

图3A为类似于图2中所示的示例激光退火系统的示意图，但包括更多光学系统的细节，且也绘示光束重定向元件位于光束均匀器下游的实施例。

图3B与3C为类似于图3A中所示的示例激光退火系统的示意图，但绘示基于反射镜的光束重定向元件的示例；

图4为用于基于声学的光束重定向元件的示例驱动单元的特写示意图，示出激光束如何相对于光轴被偏转或被重定向。

图5A至5C为时序图，示出相对于图4的基于声学的光束重定向元件的操作的光脉冲的时序，其中图5A为光脉冲强度I_P相对于时间t的曲线图。图5B与5C为压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)的输入电压V_CO或偏转角Δθ_a(任意单位)相对于时间t的二个示例曲线图。

图6为所估计的脉冲偏转角Δθ_P(mrad)相对于基于声学的光束重定向元件的驱动器的RF调制带宽Δf_a(MHz)的曲线图，其中此曲线图所示为单一光脉冲期间的基于声学的光束重定向元件的重复率f_{a_rep}的两个示例值10MHz与20MHz的偏转。

图7为减缩因子FR相对于δ/p_s的曲线图，其中δ是空间偏转量，而p_s是示例的正弦微观尺度强度调制的调制周期。

图8为针对单一光束重定向元件的所模拟的峰谷强度调制M(归一化到无旋转角)随着旋转角(度)变化的曲线图以及及示例二维强度分布，其示出旋转角如何可减少强度调制，并且因此可减少形成线图像的脉冲式激光束的非均匀性的量；及

图9为针对已偏转的光束(即已偏转的光脉冲)和无偏转的光束(即无偏转的光脉冲)根据图2的示例激光退火系统所得的实验结果的强度计数(归一化到平均值)相对于位置x(mm；毫米)的图，其示出当使用本发明所公开的光束重定向方法时(为清楚起见，具有空间偏转的轮廓的垂直刻度被偏转1)，在激光束强度轮廓中的微观尺度强度变化调制的示例减少情形。

具体实施方式

现在详细参考本发明的各个不同的实施例，其示例将于随附的附图中予以绘示说明。无论何时，在所有附图中相同或相似器件符号及标记是用以意指相同或相似部件。附图并非按原比例绘制，且所属技术领域中具有通常知识者将能认知附图中被简化之处以说明本发明的重要概念。

以下提出的权利要求被并入，且构成此实施方式的一部分。

在部分附图中所示的直角坐标仅为参考之用，并不作为关于方向或方位之限制。

在以下的讨论中，参数p_s是用以表示激光束轮廓的微观尺度强度变化的周期。微观尺度强度变化的频率为f_s，其关系式为f_s＝1/p_s。微观尺度强度变化是发生在周期p_s和空间频率f_s的范围中，在示例中空间频率f_s可使用所属技术领域中已知的傅利叶方法推得(例如，得到频谱)。在示例中，在微观尺度强度变化被显著减少的周期p_s的范围为λ/4≤p_s≤40λ，或者可为λ/2≤p_s≤20λ，其中λ为所使用的激光束的波长。在以下示例中，具有单个周期p_s的正弦微观尺度强度变化将被探讨，以作为说明。

另外，在以下讨论中，减缩因子FR为通过实施本发明所公开的光束重定向方法而微观尺度强度变化被减少的判断基准。以下所讨论的一个示例中，示例减缩因子FR是由前述微观尺度强度变化的单个周期示例，利用数学推导而来，且以“反”减缩因子FR′＝1/FR来表示。更一般来说，减缩因子FR仅为微观尺度强度变化减少多少的判断基准。在示例中，减缩因子是根据“之前”和“之后”强度轮廓的有效值(RMS)测量所测量而得，即分别代表没有空间偏转量和有空间偏转量。因此，在没有空间偏转和有空间偏转的RM微观尺度强度变化分别以I_m-RMS-和I’_m-RMS来表示的情况下，在一个示例中，减缩因子FR的关系式为FR＝(I_m-RMS)/(I’_m-RMS)。

具有光束重定向元件的激光退火系统

图2为如本发明所述的激光退火系统10的示例的示意图。为方便说明，激光退火系统10示出为展开的，即具有单一光轴A1。实际上，如下所述，激光退火系统10通常是折叠的，以当提供适当光束导向时激光退火系统10是紧凑的。例如，可以布鲁斯特角或接近于布鲁斯特角的入射角形成线图像，使反射达到最小。

激光退火系统10包括激光系统20，该激光系统20沿光轴A1发射初始激光束22。在示例中，激光系统20包括红外线(以下简称为“IR”)激光器，如CO₂激光器，其可发射具有波长标称值10.6微米(μm)的辐射。其他适合的激光器包括中红外光纤激光器，如铥激光器。示例的激光器系统20发射具有波长λ＝532纳米(nm)的光。初始激光束22是由光脉冲22P所构成，在示例中所述的光脉冲22P具有在10纳秒(ns)至10微秒(μs)的范围中的时间脉冲宽度τ，及在20微秒(μs)至10毫秒(ms)的范围中的脉冲间隔Δt，所述的脉冲间隔代表在0.1千赫(kHz)≤f≤50千赫(kHz)的范围中的激光脉冲频率(或重复率)f_rep＝1/Δt，其中10kHz为激光脉冲频率f_rep的示例值。

激光退火系统10还包括光束重定向元件30，被设置沿光轴A1以接收该初始激光束22和光脉冲22P。光束重定向元件30可操作地连接到可通过驱动信号SD以启动或“驱动”光束重定向元件30的驱动单元或“驱动器”36。光束重定向元件30被设置以使初始激光束22的光路有轻微的偏转，其中所述的偏转量会在每个脉冲的时间脉冲宽度τ内有所不同。此光束偏转操作将在下面作更详细地讨论。光束重定向元件30的示例包括声光偏转器(以下简称为“AOD”)，如声光调制器(以下简称为“AOM”)，或电光偏转器(以下简称“EOD”)，如电光调制器。光束重定向元件30的输出是已重定向的激光束32。光束重定向元件30因此也可被称为“光束偏转元件”。

光束重定向元件30的其他示例包括如下将探讨的旋转镜或扫描(摆动)镜。使用基于声光的或基于电光的光束重定向元件优于其它类型的光束重定向元件的优点包括速度快、可靠性良好以及没有会移动的部件。

激光退火系统10还包括光束调节系统40，被设置在光束重定向元件30的下游。光束调节系统40可包括一个或多个光束调节器件，如透镜、反射镜、光圈、滤光镜、有源光学元件(例如，可变衰减器等)、光导管(light pipe)、微透镜阵列以及它们的组合。光束调节系统40接收已重定向的激光束32并从其形成已重定向的调节光束42，在一个示例中此光束被示出为发散的且具有波前42W。示例的光束调节系统40是公开于美国专利号7,514,305、7,494,942、7,399,945、6,366,308及8,014,427中。

激光退火系统10进一步包括光圈50。在示例中，光圈50包括二个相对可调整的叶片52A及52B，该两个叶片定义可调整、宽度为W并以光轴A1为中心的开口54。光圈50因此在以下被称为“刀刃光圈”50。刀刃光圈50用于仅让已重定向调节光束42的一部分光束44通过。换言之，已重定向调节波前42W的一部分通过于刀刃光圈50，而这些通过的波前是以44W表示。在示例中，叶片52A及52B是可调整的(例如，可横向移动的)以改变开口54的大小。

激光退火系统10进一步包括中继光学系统70，该中继光学系统70被设置沿光轴A1且具有物平面OP及像平面IP。刀刃光圈50被设置于所述的物平面OP。中继光学系统70接收穿过刀刃光圈50的已重定向调节光束42的部分光束44，且被设置以形成线图像80于所述的像平面IP处。线图像80的大小(长度)为L，即，当中继光学系统70具有1X放大率(即1∶1的中继光学系统)时，L为刀刃光圈50的开口54的大小。线图像80的典型的长度L是在5mm至100mm的范围中，而典型的宽度W则是在25microns至500microns的范围中。

激光退火系统10进一步包括支撑载台90，该支撑载台90被设置以可操作地支撑半导体晶片100，该半导体晶片100具有位于所述的像平面IP中的上表面102。在示例中，半导体晶片100是由硅所制成的。

支撑载台90是可移动的，以使线图像80可在半导体晶片100的上表面102上以垂直于其长轴的方向(即，在y方向)扫描，如在半导体晶片100的特写插图中所示。所述的方向被称为“扫描方向”，而垂直方向被称为“跨扫描方向”。利用特写插图的坐标系统，线图像80具有的强度可表示为I_L(x，y)。然而，在跨扫描或x方向上的强度变化是主要的关注点，因此线图像强度轮廓可被表示为I_L(x)。

在示例的实施例中，支撑载台90被移动，以使半导体晶片100相对于线图像80移动，如此使线图像80在半导体晶片100的上表面102上扫描，如扫描箭头AR所示。

激光退火系统10包括控制器150，控制器150可操作地连接于光束重定向元件30及激光系统20，且被配置以协调光脉冲22P的发射和光束重定向元件30的操作(启动)，以使每个光脉冲22P的光路有不同的偏转。

在示例中，控制器150是可编程的，以执行本文所述的光束重定向功能。本文所用的术语“控制器”，是广泛地指计算机、处理器、微控制器、微电脑、可编程逻辑控制器、专用集成电路及其它可编程电路。在示例中，控制器150执行收录于非暂态计算机可读取介质中的指令，使控制器150相对于来自激光系统20的光脉冲22P的发射来控制光束重定向元件30的动作。

在示例中，激光系统20是由激光控制信号SL所控制，而光束重定向元件30则是由发送到驱动器36的控制信号SR所控制，控制信号SR进而使驱动器36通过驱动信号SD启动光束重定向元件30。用于光束重定向元件30的控制信号SR和激光控制信号SL的产生是同步的，使得当光脉冲22P行进穿过光束重定向元件30时，光束重定向元件30是处于启动状态。

也当注意的是，尽管在此所示及所讨论的光束重定向元件30是设置于光束调节系统40的上游，光束重定向元件30也可以被设置于光束调节系统40的下游，并且仍然完成其减少或消除已重定向调节光束42的部分光束44在强度上的小变化，且进而减少或消除形成于像平面IP处的最终的线图像80的强度上的小变化的功能。

具有光束重定向元件的其他示例激光退火系统

图3A为另一示例的激光退火系统10更详细的示意图，其中使用许多不同的折镜74而使光轴A1被折叠，且图3A也绘示光束重定向元件30位于作为光束调节系统40的光束均匀器的下游的示例。图3B及3C类似于图3A，但绘示了其中光束重定向元件30是基于反射镜的示例。

在图3B中，光束重定向元件30包括反射镜30M，反射镜30M可摆动使得已重定向调节光束42相对于刀刃光圈50被扫描。所示的中继光学系统70包括凹面镜72及许多折镜74，所述折镜74将已重定向调节光束42的部分光束44以相对于垂直入射的角度定向至半导体晶片100的上表面102。在示例中，中继光学系统70是反射系统，即仅包含反射镜。物平面OP和刀刃光圈50被示出相对于光轴A1呈角度，因为像平面IP与半导体晶片100的上表面102也与光轴A1形成角度。

图3C与图3B相同，除了其中的反射镜30M是多面反射镜，可以快速地绕其旋转轴旋转。

图4为采用AOD形式的示例光束重定向元件30的特写图，其中驱动器36包括压控振荡器(以下称为“VCO”)36vco及射频(以下简称为“RF”)放大器36rf。初始激光束22是通过AOD光束重定向元件30被偏转偏转角Δθ_a＝λ·Δf_a/V_a，其中λ为初始激光束22的波长，Δf_a是RF放大器36rf的RF调制带宽，而V_a是AOD光束重定向元件30的声速。偏转角Δθ_a因此与RF频率调制成比例，继而又与由控制信号SR所体现的压控振荡器(VCO)输入电压V_CO的变化成比例。

时序图

图5A至5C的时序图，示出与AOD光束重定向元件30的操作有关的光脉冲22P的时序。图5A所示为光脉冲强度I_P相对于时间t的曲线图。图5B和5C则是示出VCO输入电压V_CO或偏转角Δθ_a(任意单位)相对于时间t的曲线图。注意，在给定的脉冲的持续时间τ(即，时间脉冲宽度)内，偏转角Δθ_a会随VCO输入电压V_CO的改变而改变。在所述光脉冲22P期间，偏转角Δθ_a的改变代表当激光束穿过AOD光束重定向元件30时，此初始激光束22随时间变化的偏转。在此脉冲持续时间期间的该轻微的偏转基于随时间变化的偏转角Δθ_a在空间偏转δ中(相对于光轴A1所测量的)抹平初始激光束22。此抹平可用以消除在初始激光束22的强度轮廓中的微观尺度强度变化，微观尺度强度变化会导致线图像80的强度非均匀性。

图1B类似于图1A，且示意地绘示这种效果，其中减少的微观尺度强度变化以I’_m(x)来表示。在示例中，微观尺度强度变化从I_m(x)至I’_m(x)所减少的量(即，减缩因子FR)是在1.5X至5X的范围中，其中3X为示例的减缩因子。如上所讨论的，在示例中，减缩因子FR是以RMS有效值为基础且在给定的调制周期p_s的范围内被测量的，其中调制周期p_s在如上所述λ/4≤p_s≤40λ的范围中。

参照图5A至5C，光脉冲22P具有重复率(或激光脉冲频率)f_rep，且VCO输入电压V_CO(且因此AOD偏转角Δθ_a)是以重复率f_{a_rep}的锯齿波形扫过。重复率f_{a_rep}可与激光脉冲频率f_rep相同或是此频率的谐波，以确保在各光脉冲22P期间每个脉冲可有相同的偏转角Δθ_P。每一脉冲的偏转角Δθ_P可以此式Δθ_P＝Δθ_a·f_{a_rep}·τ表示。重复率f_{a_rep}的最大值是以f_{a_rep}＜[t_R+τ]^-1定义，其中t_R是AOD光束重定向元件30的上升时间，即声波传播通过AOD的光学光圈50所需的时间。

光脉冲偏转

图6是所估计(最大)的脉冲偏转角Δθ_P(毫弧度)相对于RF调制带宽Δf_a(MHz)的曲线图，其示出针对二个示例重复率f_{a_rep}值10kHz及20kHz在单个光脉冲22P期间的偏转。在此示例中，使用二氧化碲(TeO₂)剪力波的AOD，具有声波速度V_a＝617m/s。其他用于计算的参数为λ＝0.53μm及τ＝100ns。对给定的脉冲，其脉冲偏转角Δθ_P为时间t的函数(即，随时间变化)，其中最大偏转角Δθ_a仅为一毫弧度(mrad)的一部分。

对于如此小的偏转角Δθ_a，故可使用小角度近似法，使得空间偏转δ可以由此式δ＝L_P·Δθ_P表示，其中L_P是在其上发生偏转的光学路径的长度(即光路长度)，且其中Δθ_P是以弧度测量的(参见图4)。请注意，因为脉冲偏转角Δθ_P(t)是随时间变化的，所以空间偏转δ也是随时间变化的，即δ(t)。当已重定向的激光束32扫过脉冲偏转角Δθ_P(t)的范围时，空间偏转的随时间的变化对应于前述的对光束强度轮廓的抹平。在示例中，光路长度L_P是由光束重定向元件30与其下游的光学元件或系统之间的轴向距离所限定的。在示例中，下游的光学元件或系统即为光束调节系统40或中继光学系统70。

通过示例，对200mm的光路长度L_P，空间偏转δ具有约为δ～(200mm)·(0.2x10^{- 3}rads)＝0.040mm或40μm的最大范围。在示例中，最大空间偏转δ可以是在大约10μm至大约100μm的范围中，或在另一示例中，是在20μm至60μm的范围中。空间偏转量δ基本上不会影响退火的性能。然而，小量的空间偏转量δ提供足够的抹平，以平均化在已重定向(即，偏转的)的激光束32的微观强度非均匀性，并进而抹平在线图像80的微观强度非均匀性。在示例实施例中，改善均匀性的程度(即在微观尺度强度变化调制的减少)可通过比较已重定向的激光束32和初始激光束22之间的均方根(RMS)微观尺度强度变化I_m-RMS(x)来测量。

微观尺度光束均匀化的数学解释

在上述的激光退火系统10中，通过使用光束重定向元件30而得到的微观尺度光束强度均匀化是可以通过数学术语来解释的。下面的数学解释是利用单一调制频率，即在所述强度下单一的空间变化，虽然实际上，在强度轮廓中的调制频率具有范围。然而在微观尺度强度变化的减少的背后的基本原理仍可通过此简化的方法来理解。

基于上述理由，且不希望被以下为容易理解而提出的基本数学处理所限制，是考虑被平均化的光束轮廓强度I_a(x)，其可计算如下：

I_a(x)＝∫P(t)I(x-V_st)dt.

函数I(x)代表无任何空间偏转δ的原始强度轮廓，V_s为光束位移速度(例如由基于声学的重定向元件30的声波所提供)。函数P(t)是满足下述条件的光脉冲22P的归一化的时间轮廓：

∫P(t)dt＝1

在简单示例中，I(x)是以正弦函数调制，此正弦函数具有微观尺度空间调制周期p_s及强度“振幅”I₁，且P(t)遵循高斯分布，因此：

$l\left(x\right)=l_0+l_{1}cos\left(\frac{2\mathrm{\π}}{p_s}x\right)$

$P\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_t}\exp \[-\frac{{(t-t_0)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_t}^2}\]$

$l_a\left(x\right)=l_0+l_{1}cos\left(\frac{2\mathrm{\π}}{p_s}x\right)\exp \[-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{4ln2}{\left(\frac{\mathrm{\δ}}{p_s}\right)}^2\]$

其中且其中t_p是高斯分布的半高全宽(full width halfmaximum)，且δ＝V_s·t_p为在单个光脉冲22P期间的光束位移。在此情况下，强度调制随着空间偏转δ以指数减少。上述I_a(x)的方程式可用于限定无因次的微观尺度强度变化的反减缩因子FR′，即为δ/p_s的函数：

${\mathrm{FR}}^{\′}=\exp \[-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{4ln2}{\left(\frac{\mathrm{\δ}}{p_s}\right)}^2\]$

图7为反减缩因子FR′相对于δ/p_s的曲线图。由此可看出，若要有效地消除所述调制，空间偏转量δ必须和微观尺度强度变化的调制周期至少是同级，例如，δ≥p_s。需要注意的是反减缩因子FR′是上述的减缩因子FR的倒数。也同时注意，对于δ/p_s＞1的值，反减缩因子FR′的尺寸会是相当的小(即大幅的减小)，例如，若δ/p_s＞1.5，则FR′小于0.003(即FR＞1000)。较大的数值是由于使用单个的调制周期值p_s的微观尺度强度变化的简化处理。实际上，消除或平均化的过程是发生于调制周期p_s的范围中，这会减少减缩因子FR(或增加反减缩因子FR′)。

因此，在示例中，调制周期p_s是在λ/4至40λ的范围中，空间偏转δ可以是在同一范围中，或可具有较大的范围，只要此条件δ≥p_s可被满足。在示例中，空间偏转δ的上限为100μm，即0.1mm，或优选地为50μm，即0.05mm，或更优选地为25μm，即0.025毫米。空间偏转δ的上限是由线图像80能够在对给定的退火过程不会有不利影响的情况下，沿其长度方向从其标称(即未偏转)位置被位移多少的容差所决定的。在示例中，调制周期p_s是在λ/2至20λ的范围中，若λ＝532nm，即是在从约0.25μm至约10μm的范围中。

二维微观尺度强度变化

在上面的讨论中，是假设一维(1D)的调制。实际上，微观尺度强度变化(调制)在x与y二个维度都会发生。在激光退火系统10的示例中，可使用二个分开的光束重定向元件30，其中该光束重定向元件30被设置以使二个光束位移δ(即，δ_x和δ_y)彼此正交。此方法增加了激光退火系统10的成本及复杂性，且也会增加激光束的功率损耗。在AOD光束重定向元件30的情形下，效率通常在80％左右。若在光路上有二个这样的AOD光束重定向元件30，则功率损耗会从20％增加至36％。

减轻2D微观尺度强度变化的替代实施例是使用单个光束重定向元件30且以有限的旋转角相对于光轴Al旋转，以使其可在x与y方向上偏转每个光脉冲22P。最佳旋转角取决于所形成的实际的干涉图案。以下述的2D强度分布I(x，y)∝cos²[2πx/p_s]·cos²[2πy/p_s]为例，最佳旋转角约为27度。

图8为针对上述假设的强度分布所模拟的峰谷调制M相对于旋转角(度)的曲线图(以旋转角为0的值作归一化)。中，和无旋转角的情形相比，所模拟的峰谷调制M在有旋转角时会有一急剧的减少。因此，在示例的实施例中，激光退火系统10包含单一光束重定向元件30，是以旋转角φ相对于光轴A1被旋转，在一示例中此旋转角被优化以使所模拟的峰谷调制M达到最小，这也成为特征化此微观尺度强度变化的一种方式。

图9为针对已偏转的激光束(即，已偏转的光脉冲)和无偏转的激光束(即无偏转的光脉冲)根据图2的示例激光退火系统所得的实验结果的强度计数(归一化到平均值)相对于位置(mm)的图。为方便说明，已偏转的激光束的数据从无偏转的数据被偏移1。光束重定向元件30是AOM。AOM重复率(频率)f_{a_rep}及激光脉冲频率f_rep都是10kHz。AOM带宽Δf_a约为100MHz。所使用的其他系统参数与结合图6所用的系统参数类似。强度计数是由设置于像平面IP的高分辨率CMOS图像传感器所拍摄的光束轮廓图像的截面所得的。光束轮廓图像的颜色较淡的部分是对应于无偏转的光束，而颜色较深的部分则是对应于已偏转的光束。

上述的数据示出约光束强度调制的3X减少。实际上调制的减少是取决于干涉图案的本质。如上所讨论的，典型的干涉图案通常与不同的空间周期性的强度调制有关。一般而言，对于周期性为p_s＜δ的微观尺度强度变化的减少会是最有效的，而对于周期性为p_s＞δ的微观尺度强度变化的减少效用较小。如上所讨论的，典型微观尺度强度变化的调制减少约为1.5X或更大，例如，2X至5X。对于图9所示的无偏转的光束轮廓，模型计算可以预测使用空间偏转δ约有3X的调制的减少，与实验结果是一致的。

本领域技术人员都很清楚，可对本发明所公开的发明的优选实施例进行各种修改，而不背离本发明如所附权利要求所限定的精神或范围。因此，只要这些修改与变化是在所附的专利申请范围及与其等同的范围内，本发明也将涵盖这些修改与变化。

Claims (26)

1.一种当形成线图像时减少微观尺度强度变化的方法，所述线图像用以执行半导体基板的激光退火，所述方法包含：

a)沿光轴定向激光束，其中所述激光束具有波长λ且包含光脉冲，所述光脉冲具有在10ns至10μs的范围中的时间脉冲长度τ；

b)向每个光脉冲施加相对于所述光轴的变化的角度偏转，以使每个光脉冲在空间偏转量δ上被抹平，相比于无角度偏转，所述空间偏转量δ足够以至少1.5X均方根(RMS)的因子来减少所述激光束中的所述微观尺度强度变化，且其中δ≤100μm；且

c)使用形成于动作b)中的所述激光束以形成所述线图像。

2.如权利要求1所述的方法，其中施加所述变化的角度偏转的动作b)包含使所述激光束通过光束重定向元件或使所述激光束被光束重定向元件所反射。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述光束重定向元件包含声光调制器或电光调制器。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述微观尺度强度变化具有在λ/4≤p_s≤40λ范围中的调制周期p_s，且其中δ≥p_s。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述微观尺度强度变化具有在λ/2≤p_s≤20λ范围中的调制周期p_s。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包含在向所述激光束中的所述光脉冲施加所述变化的角度偏转之前或之后，执行所述激光束的光束调节。

7.如权利要求1所述的方法，其中形成所述线图像包含使已偏转的激光束通过中继光学系统。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述微观尺度强度变化发生在二个正交的方向中，且其中动作b)是使用光束重定向元件而执行的，所述光束重定向元件被导向至相对于所述光轴的角度，使得所述微观尺度强度变化在所述二个正交的方向中被减少。

9.一种激光退火系统，所述激光退火系统使用由激光束所形成的线图像来退火半导体基板的表面，所述激光退火系统包含：

激光系统，发射激光束，所述激光束具有光脉冲，其中每个光脉冲具有波长λ及时间宽度τ，且其中所述激光束包含强度轮廓，所述强度轮廓具有第一微观尺度强度变化量，所述第一微观尺度强度变化量具有λ/4到40λ的范围中的调制周期p_s；

光束重定向元件，被配置以接收所述光脉冲，且针对每个所述光脉冲所述光束重定向元件引起所述激光束的随时间变化的空间偏转量δ，其中p_s≤δ≤100μm，由此形成已偏转的光束，所述已偏转的光束具有第二微观尺度强度变化量且所述第二微观尺度强度量小于所述第一微观尺度强度变化量；

中继光学系统，被配置以接收所述已偏转的光束且由所述已偏转的光束形成所述线图像于像平面处，其中所述半导体基板的表面位于所述像平面处；且

控制器，操作地连接到所述光束重定向元件及所述激光系统，所述控制器被配置以将来自所述激光系统的所述光脉冲的发射与所述光束重定向元件的操作同步，以针对每个光脉冲执行所述随时间变化的空间偏转量δ。

10.如权利要求9所述的激光退火系统，其中所述光束重定向元件包含声光偏转器或电光偏转器。

11.如权利要求9所述的激光退火系统，其中所述第一微观尺度强度变化量具有在λ/2≤p_s≤20λ的范围中的调制周期p_s。

12.如权利要求9所述的激光退火系统，其中所述中继光学系统具有1∶1的放大率。

13.如权利要求9所述的激光退火系统，其中λ＝532nm。

14.如权利要求9所述的激光退火系统，进一步包含刀刃光圈，其中所述已偏转的光束是通过所述刀刃光圈的，且所述刀刃光圈限定所述线图像的长度。

15.如权利要求9所述的激光退火系统，其中所述第二微观尺度强度变化量以至少1.5X均方根(RMS)的因子小于所述第一微观尺度强度变化量。

16.一种减少激光束中的微观尺度强度变化的方法，所述激光束被用于半导体晶片的退火，所述方法包含：

从激光源产生激光束，所述激光束具有波长λ且包含光脉冲，其中所述激光束具有微观尺度强度变化量，所述微观尺度强度变化量具有λ/4到40λ的范围中的调制周期p_s；

向每个光脉冲施加随时间变化的空间偏转δ，通过使每个光脉冲通过光束重定向元件来形成已偏转的光束，所述光束重定向元件是与所述激光源同步启动，其中p_s≤δ；且

由所述已偏转的光束形成线图像于像平面处。

17.如权利要求16所述的方法，其中δ≤100μm。

18.如权利要求16所述的方法，其中形成所述线图像包含使所述已偏转的光束通过刀刃光圈，同时利用中继光学系统将所述刀刃光圈映像于所述像平面上。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述微观尺度强度变化具有均方根(RMS)值，且其中在所述刀刃光圈处测量的所述已偏转的光束中的所述微观尺度强度变化的所述均方根值，相比于在所述刀刃光圈处测量的未偏转的光束，以至少介于1.5X至5X的范围中的因子减少。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述光脉冲具有重复率f_rep，且其中施加所述随时间变化的空间偏转δ包含以重复率f_{a_rep}驱动所述光束重定向元件，其中所述重复率f_{a_rep}与所述光脉冲的所述重复率相同或为所述重复率的谐波。

21.如权利要求16所述的方法，其中所述光束重定向元件为基于声学的或基于电光式的。

22.一种在利用线图像执行半导体晶片的激光退火时，减少微观尺度强度变化的方法，所述方法包含：

沿光轴定向第一激光束，所述第一激光束具有光脉冲及第一微观尺度强度变化；

向第一激光束中的每个光脉冲施加相对于所述光轴的随时间变化的角度偏转，由此在空间偏转量δ上抹平每个光脉冲以形成第二激光束，所述第二激光束具有第二微观尺度强度变化，所述第二微观尺度强度变化小于所述第一微观尺度强度变化；且

使用所述第二激光束形成所述线图像。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述第一微观尺度强度变化具有均方根(RMS)值，且其中相比于所述第一激光束，所述第二激光束中的所述微观尺度强度变化的RMS值以至少介于1.5X至5X的范围中的因子减少。

24.如权利要求22所述的方法，其中所述第一微观尺度强度变化具有调制周期p_s，且其中p_s≤δ。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述第一激光束具有波长λ且λ/4≤p_s≤40λ。

26.如权利要求22所述的方法，其中δ≤100μm。