CN106873167B - 使用微透镜阵列而产生线路的光学设计 - Google Patents

使用微透镜阵列而产生线路的光学设计 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供一种设备，该设备包括基板支撑件；激光辐射源，该激光辐射源沿着光学路径发射激光辐射；和照明光学器件，该照明光学器件沿着光学路径设置。照明光学器件包括慢轴透镜集合和快轴透镜集合。设备进一步包括均化器，该均化器沿着光学路径设置在照明光学器件与基板支撑件之间。均化器包括柱状透镜的第一微光学小透镜阵列和柱状透镜的第二微光学小透镜阵列，其中柱状透镜的第二微光学小透镜阵列具有相对大于柱状透镜的第一微光学小透镜阵列的小透镜间距的小透镜间距，且第一微光学小透镜阵列的小透镜轴和第二微光学小透镜阵列的小透镜轴沿着轴定向，该轴平行于激光辐射源的快轴。

Description

使用微透镜阵列而产生线路的光学设计
本申请是申请日为2012年10月12日、申请号为201280044675.5、名称为“使用微透镜阵列而产生线路的光学设计”的发明专利申请的分案申请。
背景
发明领域
本发明的实施例一般涉及半导体基板的热处理。特别地，本发明涉及半导体基板的激光热处理。
相关技术的描述
在形成于硅晶片或诸如用于显示的玻璃面板之类的其它基板中的硅和其它半导体集成电路的制造中需要热处理。所需要温度可在自小于250℃的相对低温至大于1000℃、1200℃或甚至1400℃的范围内，且可用于各种工艺，诸如掺杂剂注入退火、结晶、氧化、氮化、硅化和化学气相沉积以及其它工艺。
对于高级集成电路所需要的极浅(very shallow)电路特征，期望减少实现所需要热处理的总热预算。热预算可认为是在实现期望处理温度所必需的高温下的总时间。晶片需要在最高温度下停留的时间可能极短。举例而言，快速热处理(Rapid thermalprocessing；RTP)使用辐射灯仅加热晶片而不加热腔室的其余部分，所述辐射灯可很快开启和关闭。使用极短(约20ns)激光脉冲的脉冲激光退火对仅加热表面层而不加热下层晶片有效，因此允许极短的斜升速率及斜降速率。
各种形式的最近开发的方法，有时称为热通量激光退火或动态表面退火(dynamicsurface annealing；DSA)，使用锥形光导管和变像成像光学器件来产生照在晶片上的极强烈光束作为薄长线路的辐射。随后在晶片的表面上沿垂直于线路光束的长尺寸的方向扫描线路。然而，据报告，用来沿着慢轴(即，线路长度方向)将图像均化(homogenize)且成比例缩放的光导管易碎且难以制造，且易受与系统中其它光学器件的未对准的影响。
因此，需要用于投射激光线路图像的更有效且更经济的光学系统，该光学系统不太受对准错误的影响且不易碎。
发明概述
本发明一般涉及半导体基板的热处理。在一个实施例中，提供用于处理半导体基板的热处理设备。设备包括：基板支撑件；激光辐射源，该激光辐射源沿着在激光辐射源与基板支撑件之间的光学路径发射激光辐射；照明光学器件，该照明光学器件沿着光学路径设置，该照明光学器件包括慢轴透镜集合和快轴透镜集合，该慢轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，该快轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，该快轴透镜集合设置在该慢轴透镜集合的第一柱状透镜与第二柱状透镜之间；均化器(homogenizer)，该均化器沿着光学路径设置在照明光学器件与基板支撑件之间用于使自激光辐射源的激光辐射均化，该均化器包括柱状透镜的第一微光学小透镜(lenslet)阵列和柱状透镜的第二微光学小透镜阵列，柱状透镜的第二微光学小透镜阵列具有相对大于柱状透镜的第一微光学小透镜阵列的小透镜间距的小透镜间距。在一个实例中，第一微光学小透镜阵列的小透镜轴和第二微光学小透镜阵列的小透镜轴沿着轴定向，该轴平行于激光辐射源的快轴。设备进一步包括多个聚光透镜，所述多个聚光透镜沿着光学路径设置在均化器与基板支撑件之间，用于在基板的表面处聚焦线路图像，所述多个聚光透镜具有至少五个具有全球形表面的透镜。
在另一个实施例中，提供用于处理半导体基板的热处理设备。设备包括：基板支撑件；激光二极管杆(bars)阵列，该激光二极管杆阵列在第一波长处发射激光辐射，该激光二极管杆阵列布置在沿着慢轴延伸的多个平行列内，所述列的激光二极管杆沿着快轴布置在堆叠(stack)内，其中慢轴和快轴与在激光二极管杆阵列与基板支撑件之间的光学路径正交；照明光学器件，该照明光学器件沿着光学路径设置在激光二极管杆阵列与基板支撑件之间，该照明光学器件包括偏振分光镜、具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜的慢轴透镜集合、具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜的快轴透镜集合，该快轴透镜集合设置在该慢轴透镜集合的第一柱状透镜与第二柱状透镜之间；二向分光镜，该二向分光镜设置在该快轴透镜集合的下游且构造成将自加热基板反射的第二波长和第三波长的激光辐射重导引至高温计；和波片，该波片设置在二向分光镜的下游以将激光辐射的偏振旋转90度；均化器，该均化器沿着光学路径设置在照明光学器件与基板支撑件之间，用于将激光辐射沿着慢轴均化，该均化器包括柱状透镜的第一微光学小透镜阵列和柱状透镜的第二微光学小透镜阵列，柱状透镜的第二微光学小透镜阵列具有相对大于柱状透镜的第一微光学小透镜阵列的小透镜间距的小透镜间距；和聚光透镜集合，该聚光透镜集合沿着光学路径设置在均化器与基板支撑件之间，用于在基板之表面聚焦线路图像，该聚光透镜集合具有至少五个具有全球形表面的透镜。
在又一个实施例中，提供用于处理半导体基板的热处理设备。设备包括：基板支撑件；激光二极管杆阵列，该激光二极管杆阵列布置在沿着慢轴延伸的多个平行列内，所述列的激光二极管杆沿着快轴排列在堆叠内，慢轴大体垂直于快轴；照明光学器件，该照明光学器件设置在激光二极管杆阵列与基板支撑件之间，该照明光学器件包括慢轴透镜集合和快轴透镜集合，该慢轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，该快轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，该慢轴透镜集合沿慢轴准直激光束辐射，该快轴透镜集合设置在该慢轴透镜集合的第一柱状透镜与第二柱状透镜之间以沿快轴准直激光束辐射；和均化器，该均化器设置在照明光学器件与基板支撑件之间，用于使由照明光学器件沿着慢轴准直的激光束辐射均化，该均化器包括柱状透镜的第一微光学小透镜阵列和柱状透镜的第二微光学小透镜阵列，该柱状透镜的第二微光学小透镜阵列平行于柱状透镜的第一微光学小透镜阵列设置且与柱状透镜的第一微光学小透镜阵列间隔开，柱状透镜的第二微光学小透镜阵列具有相对大于柱状透镜的第一微光学小透镜阵列的小透镜间距的小透镜间距；和聚光透镜集合，该聚光透镜集合沿着光学路径设置在均化器与基板支撑件之间用于在基板的表面聚焦线路图像，聚光透镜集合具有至少五个具有全球形表面的透镜。
附图简要说明
因此，可详细理解本发明的上述特征的方式，可参考各实施例获得上文简要概述的本发明的更具体描述，一些实施例图示于附图中。然而，应注意的是，附图仅描绘本发明的典型实施例，且因此不应视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。
图1是根据本发明的一个实施例的热通量激光退火设备的示例性透视图。
图2概念上表示具有激光二极管杆阵列和光学器件的光学系统，所述激光二极管杆阵列和光学器件共同工作以产生且聚焦待导引至晶片上的均匀分布的激光。
图3表示激光二极管杆阵列的端平面图。
图4A和图4B表示经由示例性照明光学器件传播的输出光束的慢轴视图和快轴视图。
图5A表示微透镜阵列均化器的慢轴视图。
图5B表示预均化透镜阵列的一部分小透镜阵列的慢轴特写视图。
图6A表示经由示例性傅里叶变换透镜传播的激光束的慢轴视图。
图6B表示傅里叶变换透镜的在畸变函数(distortion function)与归一化(normalized)辐射强度I(θ)以及照射度函数H(y)之间的关系。
图7表示根据本发明的一个实施例的光学系统的透镜布置的慢轴视图，该光学系统包括激光二极管杆阵列、照明光学器件、微透镜阵列均化器、傅里叶变换透镜和高温计收集光学器件。
具体描述
图1是根据本发明的一个实施例的热通量激光退火设备的示例性透视图。设备2一般包括用于二维扫描的支架(gantry)结构10。支架结构10可包括一对固定平行轨12、14。将两个平行支架横梁16、18间隔设定距离固定在一起且支撑在固定轨12、14上，且由电机(未图示)和驱动机构(未图示)控制两个平行支架横梁16、18以共同沿着固定轨12、14在滚轮或球轴承(未图示)上滑动。光束源20可滑动地支撑在支架横梁16、18上，且可悬挂在横梁16、18下方，光束源20由未图示的电机和驱动机构控制以沿着支架横梁16、18滑动。可将基板(例如，硅晶片22)静止地支撑在支架结构10下方。如下文将更详细论述，光束源20一般包括激光光源和光学器件以产生光束24，该光束24照在晶片22上作为线路束26，线路束26一般平行于固定轨12、14延伸，该方向在下文参考为慢方向(即，线路长度方向)。
尽管在此未图示，但支架结构10可进一步包括Z-轴台用于沿大体平行于扇形光束24的方向移动激光光源和光学器件，从而可控制地改变在光束源20与晶片22之间的距离且因此控制线路束26在晶片22上的聚焦。线路束26的示例性尺寸包括约5mm至约1cm的长度，例如约12mm，和约50μm至约90μm的宽度，例如约75μm，和220kW/cm2的示例性功率密度。或者，光束源及关联的光学器件可以是静止的，而将晶片支撑在台(例如，X-Y台)上，光束源在二维上扫描该线路束。
在一个实施例中，可将支架横梁16、18沿着固定轨12、14设定在特定位置，且光束源20沿着支架横梁16、18以均匀速度移动以沿着称为快方向(即，线路宽度方向)的方向垂直于线路束26的长尺寸扫描线路束26。或者，光束源20可以是静止的，而相对于光束源20移动晶片22，从而自晶片22的一侧至另一侧扫描线路束26以照射晶片22的1cm条带(swath)。线路束26足够窄且沿快方向的扫描速度足够快，使得晶片的特定区域仅暂时暴露至线路束26的光学辐射，但在线路束的峰值处的强度足够加热表面区域至极高温度。然而，晶片22的较深部分未经显著加热且因此充当散热片以快速冷却表面区域。一旦快扫描已完成，则将由X-Y台移动的支架横梁16、18或晶片22移动至新位置以使得线路束26沿着该线路束26的长尺寸移动，该线路束26的长尺寸沿着慢轴延伸。随后再次执行快扫描以照射晶片22的邻近条带。可能沿着光束源20的蛇形路径重复交替的快扫描和慢扫描直至已将整个晶片22热处理。
在图2中概念上表示示例性光束源20，图2表示包括激光二极管杆阵列和光学器件的光学系统200，所述激光二极管杆阵列和光学器件共同工作以产生待聚焦在晶片22上的均匀分布的激光。在一个实施例中，光学系统200大体包括激光二极管杆阵列202、照明光学器件204、均化器206、傅里叶变换透镜(或场透镜)208和高温计收集光学器件210，该均化器206可以是微透镜阵列。箭头“A”表示在约808nm处的激光辐射是由激光二极管杆阵列202产生且经由照明光学器件204、微透镜阵列均化器206、傅里叶变换透镜208按顺序透射至晶片。自加热晶片发出的一部分热辐射是由傅里叶变换透镜208收集且通过微透镜阵列均化器206、照明光学器件204朝着激光二极管杆阵列202反向行进。可将光束反射器(未图示)布置在微透镜阵列均化器206与照明光学器件204之间以将在高温计波长(940nm、1550nm，箭头“B”)处自加热晶片发射的一部分热辐射导引至高温计收集光学器件210，从而监测正进行热处理的晶片的温度。为避免或最小化对激光二极管杆阵列202的热冲击，照明光学器件204可包括一或更多束集堆(dumps)(未图示)以收集自加热晶片反射的热辐射。下文将更详细地论述光学系统200。
图3表示激光二极管杆阵列202的端平面图。激光二极管杆阵列202可具有多个二极管杆302，每一个都包括期望数目的激光二极管(未图示)，例如，在二极管杆302上安装且分隔400μm间距的约25个激光二极管。可将二极管杆302彼此平行而布置以形成激光杆堆叠304。二极管杆302和堆叠304的数目可取决于工艺所需要的输出功率而改变。在输出需求为自全部二极管杆阵列可获得至少1600W的情况中，限制自给定二极管杆发射的总功率可有利于增加激光二极管的使用寿命。举例而言，可将每一二极管杆302的总输出功率限制为约60W。在间距为约1.8mm(高度)且二极管杆长度为约10mm的一个实施例中，功率密度/杆为约330W/cm2。为补偿较低的光输出，已决定，可要求总共9个二极管杆302(沿快轴方向)的3个堆叠304(沿慢轴方向)来满足整体功率需求。因此，激光二极管杆阵列202具有如所示以3×9阵列分组的总共27个二极管杆302。
每一二极管杆302大体对应于p-n结，该p-n结构造为在适合于热处理应用的波长处发射光束，例如，在约190nm与约950nm之间，且在808nm处为使用照明的特定应用。由于二极管杆302的几何结构，来自每一离散二极管杆302的原始输出光束在快轴和慢轴两个方向上(两个方向皆垂直于光束方向)是高度发散且不对称的。典型快轴发散为约40°半高全宽(Full Width Half Maximum；FWHM)且慢轴发散为约10°FWHM。对于大多数应用，使用一或更多光学元件将输出光束再成形为具有矩形截面的输出光束可为有利。由于沿快轴方向观察到更高发散，诸如柱状透镜(未图示)的光学元件可覆盖每一激光二极管以沿着快轴方向准直具有发散角Φ(图4图示输出光束发散Φ的慢轴视图)的输出光束。在一个实施例中，对于全部操作电流，输出光束穿过光学系统200沿着慢轴的发散小于7.5°半高全宽(FWHM)且沿着快轴的发散小于0.2°FWHM。
在一个实施例中，二极管杆302可具有约2mm至约20mm的长度，例如沿慢轴方向约10mm，且与邻近二极管杆分隔约0.5mm至约3mm的杆间距“p”，例如沿快轴方向分隔约1.8mm或更少。堆叠间隔“d”(堆叠中心至堆叠中心)可介于约5mm与约25mm之间，例如约12mm或更少。激光二极管杆阵列202可具有约5mm至约30mm的高度“H”(该高度由杆的数目和杆间隔设定)，例如约14.4mm，和约15mm至约50mm的宽度“W”(该宽度也由杆的数目和杆间隔设定)，例如约34mm。设想包括二极管杆302的间隔、间距和/或大小的设置可取决于输出功率需求而改变。据信具有此特定几何结构的激光二极管杆阵列202提供具有一深宽比的光束，该深宽比有利于由微柱状透镜的一个或多个阵列的均化和有利于使用具有球形表面的透镜成像光束线路，如下文将更详细论述。
图4A和图4B表示经由示例性照明光学器件400传播的输出光束的慢轴视图和快轴视图。当输出光束到达微透镜阵列均化器206时，照明光学器件400以正确的慢轴发散和数值孔径(numerical aperture；NA)准直且聚光来自激光二极管杆阵列202的输出光束。照明光学器件400还帮助消除均化器照明对激光二极管电流的依赖且提供微透镜阵列均化器206的恒定角度慢轴照明。在一个实施例中，照明光学器件400可包括偏振分光镜402(在附图中识别为“L1”)、高温计二向分光镜404(识别为“L6”)、波片406(识别为“L7”)、慢轴透镜集合408(识别为“L2”和“L5”)和快轴透镜集合410(识别为“L3”和“L4”)。偏振分光镜402可设置在激光二极管杆阵列202的下游且构造为产生具有正交偏振方向的一个组分或两个组分。偏振分光镜402构造为确保自激光二极管杆阵列202的输出光束到达具有指定线性偏振的偏振分光镜402且将非指定线性偏振的光自光学路径重导引至束集堆(未图示)，该具有指定线性偏振的偏振分光镜402将沿着光学轴Z(光学路径)透射输出光束。在一个实例中，偏振分光镜402放置在相对于慢轴约45度的角度处。可将波片406(诸如四分之一(λ/4)波片)设置在光束路径中，诸如在偏振分光镜402与微透镜阵列均化器206之间的位置，以使得通过波片406的线性偏振光束变为圆偏振。在一个实例中，波片406设置在高温计二向分光镜404与微透镜阵列均化器206之间。
在偏振光束通过慢轴透镜集合408、快轴透镜集合410、高温计二向分光镜404、波片406和光学系统200的剩余部分(即，如图2所示的微透镜阵列均化器206和傅里叶变换透镜208)之后，某些光束可经由光学系统200自晶片22的表面向后反射。在此反向透射期间，光束与波片406的第二次碰撞使得光束再次变为线性偏振，但旋转了90°。在光束与偏振分光镜402第二次碰撞后，激光辐射经导引至束集堆，从而保护激光二极管杆阵列202免受潜在损害。
自加热晶片22发出的具有950nm或更大的波长的热辐射由高温计二向分光镜404重导引至高温计(图7)。将高温计的输出供应至控制器(未图示)，该控制器将已检测的光电流转换为晶片温度且将该晶片温度与期望温度比较，从而调整供应至激光二极管杆阵列202的功率(稍后将详细论述)。
慢轴透镜集合408可包括(按自对象(object)侧A至图像侧B的顺序)彼此间隔开的柱状透镜408a和柱状透镜408b，且有效焦距f约120mm。快轴透镜集合410设置在柱状透镜408a与柱状透镜408b之间且可包括(按自对象侧A至图像侧B的顺序)间隔开的柱状透镜410a和柱状透镜410b，以便包括在快轴方向具有放大率1.1.8x的焦点望远镜或扩束器。在一个实施例中，柱状透镜408a具有面朝对象侧A的凸透镜表面420，而柱状透镜408b具有面朝图像侧B的凸透镜表面422。柱状透镜410a具有面朝对象侧A的凹透镜表面426，而柱状透镜410b具有面朝图像侧B的凸透镜表面428(图4B)。下文在表1中提供根据本发明的一个实施例对于慢轴透镜408(即，柱状透镜408a和柱状透镜408b)和快轴透镜410(即，柱状透镜410a和柱状透镜410b)的详细规定。
表1
激光二极管杆阵列202位于焦距f的慢轴透镜集合408的前焦平面，而微透镜阵列均化器206位于后焦平面。在操作中，慢轴透镜408产生沿着慢轴具有恒定发散角的光束。将光束聚光且收敛至微透镜阵列均化器206的输入端，即，沿光学轴Z之方向的预均化透镜阵列502，如图4A所示。内部快轴透镜410去除或减小自柱状透镜留在激光二极管上的任何残留发散。将光束沿快轴方向扩展且准直至微透镜阵列均化器206内，如图4B所示(为清楚起见，已省略偏振分光镜402、高温计二向分光镜404和波片406)。慢轴透镜集合408和快轴透镜集合410变换激光二极管杆阵列202的光束输出，以便发散较大且在慢轴方向恒定(如下一段落论述)，同时使得沿着快轴方向的发散角Φ较小。沿快轴行进至微透镜阵列均化器206内的较小发散角意味着在晶片22处更紧凑的线路聚焦。
照明光学器件400帮助输送具有正确慢轴发散的激光束至微透镜阵列均化器206，其中预均化透镜阵列502具有约0.15的数值孔径(NA)。为自微透镜阵列均化器206获得良好均匀性，重要的是入射慢轴发散不超过微透镜阵列均化器206的数值孔径(NA)。为了控制在微透镜阵列均化器206处入射的慢轴发散(注意，来自激光二极管杆阵列202的SA发散是电流/功率输出的函数)，二极管阵列发射平面是由具有约120mm的有效焦距f的一对柱状透镜408a、408b沿慢轴方向经光学傅里叶变换。因为光学傅里叶变换的性质(稍后将论述)，故在后焦平面的光角度是由在激光二极管杆阵列202处的光空间位置决定。当激光二极管杆阵列202的空间发射图案是均匀的且独立于二极管功率且几何对称时，微透镜阵列均化器206上的发散入射将同样为均匀的且独立于二极管功率。另一方面，光束在微透镜阵列均化器206处的慢轴空间范围由自激光二极管杆阵列202的慢轴发散设定，且可取决于工艺方案而改变。照明光学器件400将快轴发散减小了约1.18x，这在某些实施例中为必需的，以确保在晶片22的像平面处的最终线路宽度符合具有0.135°的二极管阵列快轴发散的<80μm FWHM需求。应注意，若二极管阵列快轴发散符合<0.12°的目标，则可省略快轴透镜410。
图5A表示微透镜阵列均化器500的慢轴视图，诸如上文相对于图2所论述的微透镜阵列均化器206。微透镜阵列均化器500大体使用微透镜阵列以使激光束沿着慢轴均化，该微透镜阵列诸如是预均化透镜阵列502(在附图中识别为“L8”)和最终均化透镜阵列504(识别为“L10”)，该最终均化透镜阵列504平行于预均化透镜阵列502设置且与预均化透镜阵列502间隔开透镜的焦距。在预均化透镜阵列502和最终均化透镜阵列504是柱状小透镜阵列的情况中，可将预均化透镜阵列502的柱状小透镜轴和最终均化透镜阵列504的柱状小透镜轴沿着平行于激光二极管杆阵列202的快轴的轴而定向。微透镜阵列均化器500可具有特定选取的数值孔径(NA)，以允许全球面的傅里叶变换透镜208。尽管图示两个微透镜阵列(即，502、504)，但微透镜阵列均化器500可包括更多微透镜阵列以减少在晶片处的最终线路图像中的斑点。
在操作中，来自光源的输出光束(即，来自激光二极管杆阵列202的输出光束)是由如上所述的照明光学器件204的柱状透镜聚焦且沿着慢轴进入具有有限收敛角的微透镜阵列均化器500，但实质上沿着快轴准直。微透镜阵列均化器500减少由在慢轴上间隔开的激光杆堆叠304(图3)中的多个激光二极管引入的沿着慢轴的光束结构，且消除光源中可能的不均匀性。预均化透镜阵列502和最终均化透镜阵列504可以是柱状透镜或具有多个弯曲表面的透镜。在图5A图示的一个实施例中，预均化透镜阵列502和最终均化透镜阵列504大体分别包括柱状透镜503、505的微光学小透镜阵列。例如，图5B图示预均化透镜阵列502的一部分小透镜阵列的特写慢轴视图。如所示的小透镜阵列包括两个相邻柱状透镜503a、503b和定位在柱状透镜503a与柱状透镜503b之间的过渡区域510。在过渡区域510中，表面轮廓近似柱状凹透镜，该过渡区域510平滑地连接至柱状凸透镜503a、503b。此过渡区域510的宽度影响线路图像的末端处的线路长度和边缘斜率。在一个实例中，过渡区域510具有约20μm至约60μm的长度，例如约40μm的长度，且柱状透镜503a、503b中的每一个具有约180μm至约300μm的长度，例如约250μm的长度。
当在入射到微透镜阵列的光中存在充分的空间相干性时，该空间相干性可导致在最终线路图像处的不期望的相干假影，额外透镜(例如，弱柱状透镜506(在附图中识别为“L9”))可放置在预均化透镜阵列502与最终均化透镜阵列504之间以帮助减轻这些相干不均匀性。弱柱状透镜506可具有约500mm的焦距。上文显示，为满足在随后傅里叶变换透镜208中使用球面光学器件的图像线路长度需求，微透镜阵列均化器206可要求在慢轴中具有约0.16的数值孔径(NA)的微透镜阵列(即，透镜阵列502、504)。透镜阵列的数值孔径可如下所表示：
其中，“间距”是微透镜阵列间隔(例如，自柱状透镜503a的中心至相邻柱状透镜503b的中心)，“填充因子”是小透镜宽度与间距的比值，“f”是小透镜的焦距，“r”是小透镜前表面和小透镜后表面的曲率半径，且“n”是阵列材料在设计波长处的折射率。在小透镜阵列使用熔硅石的情况中，折射率n在λ为约808nm时为约1.453。小透镜阵列的填充因子主要由制造方法决定。在一个实施例中，其中使用在预均化透镜阵列502和最终均化透镜阵列504中的小透镜阵列是LIMO透镜阵列(可购自德国多特蒙德(Dortmund)的LIMOGmbH)，填充因子已经测量为大于>90％。下表2提供根据本发明的一个实施例对于使用在微透镜阵列均化器500中的预均化透镜阵列502和最终均化透镜阵列504的光学规定。1号微透镜阵列表示预均化透镜阵列502，该预均化透镜阵列502用以减轻图像线路中的相干不均匀性。预均化透镜阵列502具有约275μm的间距和约0.155的NA，所述值稍微低于2号微透镜阵列，2号微透镜阵列表示最终均化透镜阵列504，该最终均化透镜阵列504具有与阵列1号相同的光学规定，不同之处在于间距较大为约290μm，此较大间距导致约0.164的较大NA。在实验上已观察到，当由以下入射光照射时，微透镜阵列均化器500工作最佳：该入射光具有接近但不超过微透镜阵列均化器206的小透镜阵列NA的慢轴NA。详言之，起因于激光二极管杆阵列202的空间相干性的干扰效应(interference effects)通过使入射光NA接近小透镜阵列NA而减轻。因此，在预均化透镜阵列502与最终均化透镜阵列504之间的间距差可有利于减少在两个透镜阵列502、504之间的频率干扰，若所述两个透镜阵列502、504具有相同间距，则将发生频率干扰。
已选取光学参数来提供足够小间距，使得足够数目的小透镜(即，柱状透镜503、505的微光学小透镜阵列)由激光二极管杆阵列202和照明光学器件204照射。在一个实例中，在预均化透镜阵列502和最终均化透镜阵列504的每一个中可能有近似50个柱状透镜503、505覆盖微透镜阵列均化器206中的约15mm光束宽度。
表2
*在基板机械边缘与透镜阵列轴之间的最大角度
图6A表示经由示例性聚光透镜集合600传播的激光束的慢轴视图，示例性聚光透镜集合600诸如是上文相对于图2论述的傅里叶变换透镜208。聚光透镜集合600可以是任何适当的傅里叶变换透镜，或如下文相对于图6A所述的具有特定透镜布置的聚光透镜集合600。傅里叶变换透镜被设计为聚焦线路图像在晶片22处且具有与由最终微透镜阵列产生的辐射强度分布相匹配的特定光学畸变。透镜设计是有目的地散光的，此情形允许较少单独透镜元件的更简单设计且仍允许具有线路图像的成像质量而不负面地影响线路均匀性。在一个实施例中，聚光透镜集合600一般包括透镜阵列，该透镜阵列自对象侧A至图像侧B按顺序包括五个单独透镜，例如，沿着光学轴Z布置且具有全球形表面的第一透镜602、第二透镜604、第三透镜606、第四透镜608和第五透镜610(在附图中分别识别为“L11”、“L12”、“L13”、“L14”和“L15”)。与使用柱状光学器件及球形表面光学器件两者的变像设计相比，具有全球面透镜的聚光透镜集合600允许更经济的制造且更容易对准。下文表3提供根据本发明的一个实施例对于每一单独透镜602、604、606、608和610的详细规定。
表3
图6A还可包括可更换输出窗口612(在附图中识别为W1)和腔室窗口614(在附图中识别为W2)。可更换输出窗口612保护光学系统200的内部。准直激光束可经由腔室窗口614进入腔室。在热处理应用中，腔室窗口614可大于正进行处理的晶片22。这是因为对晶片的全部区域可能需要光存取作为处理的部分。应注意，本发明不局限于此特定数目的透镜且替代实施例可包括不同数目的透镜。透镜中的每一个的特定光学特性和所述透镜组合的方式可限定提供于晶片22的表面上的覆盖图像的形状。
聚光透镜集合600(诸如傅里叶变换透镜208)在晶片22处形成最终线路图像(图2)。因为图像形成在透镜的后焦平面，故称为傅里叶变换透镜。因此，透镜在无限共轭处操作，以给定入射角将输入光束映射至晶片22的图像平面内的位置。透镜的广义畸变函数g(θ)决定入射角θ至图像位置y的映射，定义为y＝f g(θ)。在最终均化透镜阵列504之后立即产生的归一化辐射强度I(θ)是每弧度光学功率的测量，即，I(θ)dθ是含在光束角度θ与光束角度θ+dθ之间的功率(为方便起见，假定I(0)＝1)。由于为适度高NA微透镜阵列所固有的像差，函数I(θ)不是top hat(帽形函数)(见图6B的(a))，而是由二次方程式(见图6B的(b))I(θ)＝1+c2θ2更好表示。限定在晶片22的图像平面处的归一化辐照度函数H(y)以使得H(y)dy是在区域y至y+dy内的功率。对于高度均匀辐照度，H(y)为恒定，为方便起见将该H(y)取为一，且畸变映射y＝g(θ)是导致H(y)＝1的映射。由于对于均匀top-hat辐照度，H(y)＝1，故通过能量守恒，人们按照映射g(θ)可获得下列结果，该映射g(θ)将角度θ转换成为位置y：I(θ)dθ＝H(y)dy或
当由最终均化透镜阵列504产生的归一化辐射强度可由二次方程式I(θ)＝1+c2θ2表示时，获得方程式由此，容易获得最终结果用于期望广义畸变映射此为广义畸变映射，该广义畸变映射将导致在晶片22的图像平面中的平坦顶部辐照度H(y)。唯一参数是辐射强度二次方程式系数c2。光学设计中的畸变按照惯例是相对于tan(θ)指定，因为tan(θ)是将x-y对象平面映射成为晶片22的x'-y'图像平面而在有限对象/图像距离处无畸变的映射。由于tan(θ)为约θ+θ3/3+...，故人们可按此惯例对具有“零”畸变的透镜假定c2＝1。更具体而言，通过在常见光学设计软件中使用的定义，以上文限定的广义映射g(θ)为特征的透镜的畸变可限定为因此，一旦c2为已知，则人们可指定在聚光透镜集合600的每一单独透镜中需要的畸变。在聚光透镜集合600是傅里叶变换透镜且二次曲线拟合至辐射强度导致c2＝-1.35的一个实例中，期望傅里叶变换透镜畸变(偏离tan(θ)畸变)在1.66弧度或9.5°的视场角处为-2.14％。用来设计傅里叶变换透镜的评价函数(meritfunction)是被限定为以最小化快轴方向的像点大小。在各种实施例中，聚光透镜集合600构造为提供：(1)约38mm的有效焦距，该有效焦距是由快轴发散设定以满足如上所述的80mmFWHM线路宽度；(2)±9.5°的输入视场角(慢轴)，所述输入视场角是由微透镜阵列均化器206的NA(约0.164)设定；(3)约20.5mm的后焦距(即，腔室窗口614至晶片22处的图像)；和(4)在最大视场角9.5°处约-2.14％的畸变(相对于tan(θ))。根据本发明之一的聚光透镜集合600的进一步规定可在上表3和下表4中得到。
表4
尽管聚光透镜集合600可构造为最小化快轴方向中的像点大小，但全球面透镜的使用可允许透镜显示出散光。慢轴方向中的像点成长导致在线路端部处无意义的线路延长和软化。然而，已显示，此透镜设计不损害快轴方向中的线路宽度，而是允许较少单独透镜元件的更简单设计，且允许具有线路图像的成像质量而不会负面地影响线路均匀性。可设想在聚光透镜集合600中使用的透镜的数目不局限于如所述的五个球面元件。本领域技术人员可使用上文方程式根据需要添加或移除透镜以最佳化在聚光透镜集合600的每一单独透镜中需要的畸变。
图7表示根据本发明的一个实施例的光学系统700的透镜布置的慢轴视图，该光学系统700包括如上所述的激光二极管杆阵列202、照明光学器件(402、408a-b、410a-b、404和406)、微透镜阵列均化器(502、504和506)和聚光透镜集合(602、604、606、608、610、612和614)和高温计收集光学器件(702、704、706和708)。在图7中，将自一或更多电磁源(即，激光二极管杆阵列202)至晶片22的表面的光学轴表示为Z轴。此附图中的光学系统700的慢轴(“SA”)被识别，且如所示快轴(“FA”)与页面正交。如上文相对于图4A简要论述，为调节或控制晶片温度，晶片22的已照射部分的温度是由高温计收集光学器件恒定监测。用来准直和聚焦激光源光束于晶片22上的相同光学器件用以沿反方向将自加热晶片22发出的热辐射导引至高温计702。热辐射可经由聚光透镜集合(602、604、606、608、610、612和614)、微透镜阵列均化器(502、504和506)反向传播至具有涂层(例如，SiO2和/或Ta2O5)的高温计二向分光镜404，该涂层同时具有在高温测定波长(例如，940nm和1550nm)处的高反射率和在主要激光波长808nm处的高透射率。在热辐射第二次碰撞高温计二向分光镜404后，自加热晶片22发出的具有940±5nm或1550±5nm的波长的热辐射由高温计二向分光镜404重导引至光学滤波器704，光学滤波器704阻塞激光辐射的(例如)808nm波长。具有高温测定波长的激光辐射由可选棱镜706反射至透镜708，该透镜708聚焦激光辐射于高温计702的面上。将高温计的输出供应至控制器(未图示)，该控制器将已检测的光电流转换至晶片温度且将该晶片温度与期望温度比较，从而调整供应至激光二极管杆阵列202的功率。
虽然前文涉及本发明的实施例，但可设计本发明的其它和进一步实施例而不脱离本发明的基本范围，且由随附的权利要求书决定本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于处理半导体基板的热处理设备，所述热处理设备包括：
基板支撑件，所述基板支撑件具有基板接收表面；
光束源，用于沿着与所述基板支撑件的所述基板接收表面交叉的光学路径发射光束，所述光束源包括：
激光二极管杆阵列，所述激光二极管杆阵列在第一波长处发射激光辐射，所述激光二极管杆阵列布置在沿着慢轴延伸的多个平行列内，所述列的激光二极管杆沿着快轴布置在堆叠内，其中所述慢轴和所述快轴与在所述激光二极管杆阵列与所述基板支撑件之间的光学路径正交；
照明光学器件，所述照明光学器件沿着所述光学路径设置，所述照明光学器件包括：
慢轴透镜集合，所述慢轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜；和
快轴透镜集合，所述快轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，所述快轴透镜集合设置在所述慢轴透镜集合的所述第一柱状透镜与所述第二柱状透镜之间；和
均化器，所述均化器沿着所述光学路径设置在所述照明光学器件与所述基板支撑件之间，所述均化器包括：
第一透镜阵列，所述第一透镜阵列具有柱状透镜的小透镜阵列；和
第二透镜阵列，所述第二透镜阵列具有柱状透镜的小透镜阵列，其中所述第二透镜阵列的小透镜阵列的至少两个相邻柱状透镜具有比所述第一透镜阵列的小透镜阵列的至少两个相邻柱状透镜的间距更大的间距。
2.如权利要求1所述的设备，所述设备进一步包括：
多个聚光透镜，所述多个聚光透镜沿着所述光学路径设置在所述均化器与所述基板支撑件之间，其中所述多个聚光透镜包括至少五个球面透镜。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述第二透镜阵列的小透镜阵列的每一个柱状透镜和所述第一透镜阵列的小透镜阵列的每一个柱状透镜都沿平行于所述快轴的轴定向。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述光束源以在约190nm与约950nm之间的波长发射光束。
5.一种用于处理半导体基板的热处理设备，所述热处理设备包括：
基板支撑件，所述基板支撑件具有基板接收表面；
光束源，用于沿着与所述基板支撑件的所述基板接收表面交叉的光学路径发射光束，所述光束源包括：
激光二极管杆阵列，所述激光二极管杆阵列在第一波长处发射激光辐射，所述激光二极管杆阵列布置在沿着慢轴延伸的多个平行列内，所述列的激光二极管杆沿着快轴布置在堆叠内，其中所述慢轴和所述快轴与在所述激光二极管杆阵列与所述基板支撑件之间的光学路径正交；
照明光学器件，所述照明光学器件沿着所述光学路径设置在所述激光二极管杆阵列和所述基板支撑件之间，所述照明光学器件包括：
偏振分光镜；
慢轴透镜集合，所述慢轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜；和
快轴透镜集合，所述快轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，所述快轴透镜集合设置在所述慢轴透镜集合的所述第一柱状透镜与所述第二柱状透镜之间；和
均化器，所述均化器沿着所述光学路径设置在所述照明光学器件与所述基板支撑件之间，用于沿着所述慢轴均化激光辐射，所述均化器包括：
第一透镜阵列，所述第一透镜阵列具有柱状透镜的小透镜阵列；和
第二透镜阵列，所述第二透镜阵列具有柱状透镜的小透镜阵列，其中所述第二透镜阵列的小透镜阵列的至少两个相邻柱状透镜具有比所述第一透镜阵列的小透镜阵列的至少两个相邻柱状透镜的间距更大的间距。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述照明光学器件进一步包括：
二向分光镜，所述二向分光镜设置在所述快轴透镜集合的下游且构造为将自加热基板反射的第二波长和第三波长的激光辐射重导引至高温计；和
波片，所述波片设置在所述二向分光镜的下游以将激光辐射的线性偏振变换成为圆偏振。
7.如权利要求5所述的设备，进一步包括：
聚光透镜集合，所述聚光透镜集合沿着所述光学路径设置在所述均化器与所述基板支撑件之间，用于在所述基板的表面处聚焦线路图像。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述聚光透镜集合包括至少五个球面透镜。
9.如权利要求5所述的设备，其中所述慢轴透镜集合的所述第一柱状透镜具有面朝所述激光二极管杆阵列的凸透镜表面且所述慢轴透镜集合的所述第二柱状透镜具有面朝所述基板的表面的凸透镜表面。
10.如权利要求5所述的设备，其中所述快轴透镜集合的所述第一柱状透镜具有面朝所述激光二极管杆阵列的凹透镜表面且所述快轴透镜集合的所述第二柱状透镜具有面朝所述基板的表面的凸透镜表面。
11.如权利要求5所述的设备，其中所述第一透镜阵列的每一个柱状透镜的轴和所述第二透镜阵列的每一个柱状透镜的轴平行于所述快轴定向。
12.如权利要求6所述的设备，其中所述第一波长为约808nm，所述第二波长为约940nm，并且所述第三波长为约1550nm。
13.一种用于处理半导体基板的热处理设备，所述热处理设备包括：
基板支撑件；
激光二极管杆阵列，所述激光二极管杆阵列布置在沿着慢轴延伸的多个平行列内，所述列的激光二极管杆沿着快轴排列在堆叠内，所述慢轴垂直于所述快轴；
照明光学器件，所述照明光学器件在所述激光二极管杆阵列和所述基板支撑件之间，所述照明光学器件包括：
慢轴透镜集合，所述慢轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，所述慢轴透镜集合沿着所述慢轴准直激光束辐射；和
快轴透镜集合，所述快轴透镜集合具有彼此间隔开的至少第一柱状透镜和第二柱状透镜，所述快轴透镜集合设置在所述慢轴透镜集合的所述第一柱状透镜与所述第二柱状透镜之间以沿着所述快轴准直激光束辐射；和均化器，所述均化器设置在所述照明光学器件与所述基板支撑件之间，用于均化由所述照明光学器件沿着所述慢轴准直的激光束辐射，所述均化器包括：
柱状透镜的第一微光学小透镜阵列；和
柱状透镜的第二微光学小透镜阵列，所述第二微光学小透镜阵列平行于柱状透镜的所述第一微光学小透镜阵列设置且与柱状透镜的所述第一微光学小透镜阵列间隔开，其中柱状透镜的所述第二微光学小透镜阵列的小透镜间距相对大于柱状透镜的所述第一微光学小透镜阵列的小透镜间距，且所述第一微光学小透镜阵列的小透镜轴和所述第二微光学小透镜阵列的小透镜轴沿着轴定向，所述轴平行于所述激光辐射源的快轴；和
聚光透镜集合，所述聚光透镜集合沿着所述光学路径设置在所述均化器与所述基板支撑件之间用于在所述基板的表面处聚焦线路图像，所述聚光透镜集合具有至少五个具有全球形表面的透镜。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述慢轴透镜集合的所述第一柱状透镜具有面朝所述激光二极管杆阵列的凸透镜表面且所述慢轴透镜集合的所述第二柱状透镜具有面朝所述基板的表面的凸透镜表面。
15.如权利要求13所述的设备，其中所述快轴透镜集合的所述第一柱状透镜具有面朝所述激光二极管杆阵列的凹透镜表面且所述快轴透镜集合的所述第二柱状透镜具有面朝所述基板的所述表面的凸透镜表面。
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