CN106935492A - 一种激光退火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光退火装置，包括载片台、第一能量探测器、第二能量探测器、第三能量探测器、空间光调制器、能量吸收单元、系统控制器以及与所述系统控制器分别相连的载片台控制器、反射率测量单元、能量调制退火单元；载片台控制器与载片台相连并控制载片台运动，反射率测量单元发出的激光一部分进入第一能量探测器，另一部分入射至晶圆表面，经晶圆表面反射后入射至第二能量探测器，根据第一能量探测器与第二能量探测器的数值得到晶圆反射率；能量调制退火单元发出的激光一部分进入第三能量探测器，另一部分经空间光调制器入射至晶圆表面，经晶圆表面反射后入射至能量吸收单元；上述所得晶圆反射率的值输入空间光调制器的输入端。

Description

一种激光退火装置
技术领域
本发明涉及光刻设备领域，特别涉及一种激光退火装置。
背景技术
过去数十年，电子器件制造遵循摩尔定律快速发展，而减小集成电路尺寸是维持这一发展趋势的源动力，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45nm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。
激光退火相对传统退火，其热预算小，激活效率高，可以很大程度减小热扩散，并降低热应变。目前有一种方案，是采用波长10.6um的CO2激光器P偏振布儒斯特角入射晶圆，其退火时间大约在几百微秒，目前主要运用于28～45nm左右节点，其最大优点是解决图案效应。
上述方案虽然能够在一定程度上降低图案效应，但是由于是毫秒退火，在28nm以上节点，其基本能够满足扩散要求，但是到28nm以下节点，扩散要求在2nm左右前提下，毫秒退火已经很难满足该要求，另外，采用10.6μm进行退火，需要对硅片进行预热，整体热预算大，容易造成应力变形，从而影响套刻精度。
发明内容
本发明提供一种激光退火装置，以解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种激光退火装置，包括用于承载晶圆的载片台、第一能量探测器、第二能量探测器、第三能量探测器、空间光调制器、能量吸收单元、系统控制器以及与所述系统控制器分别相连的载片台控制器、反射率测量单元、能量调制退火单元；所述载片台控制器与所述载片台相连并控制载片台运动，所述反射率测量单元发出的激光一部分进入第一能量探测器，另一部分入射至所述晶圆表面，经晶圆表面反射后入射至第二能量探测器，根据所述第一能量探测器与第二能量探测器的数值得到所述晶圆反射率；所述能量调制退火单元发出的激光一部分进入第三能量探测器，另一部分经空间光调制器入射至所述晶圆表面，经晶圆表面反射后入射至能量吸收单元；上述所得晶圆反射率的值输入所述空间光调制器的输入端。
较佳地，所述能量调制退火单元依次包括第一激光控制器、第一激光器、第一整形光路、第一分光镜、第一透反镜、第一聚焦光路、第二聚焦光路以及第一光路切换单元，所述系统控制器与所述第一激光控制器相连，所述第一激光控制器用于控制所述第一激光器，所述第一激光器发出的激光进入第一整形光路进行整形，再经过所述第一分光镜按比例进行分光，一部分入射至第一能量探测器，另一部分经所述第一透反镜和第一聚焦光路入射至所述晶圆表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路，输出光经所述第一光路切换单元入射至所述第二能量探测器。
较佳地，所述能量调制退火单元依次包括第二激光控制器、第二激光器、第二整形光路以及第二分光镜，所述系统控制器与所述第二激光控制器相连，所述第二激光控制器用于控制所述第二激光器，所述第二激光器发出的激光进入第二整形光路进行整形，再经过所述第二分光镜按比例进行分光，一部分入射至第三能量探测器，另一部分经所述空间光调制器后依次经所述第一透反镜和第一聚焦光路入射至所述晶圆表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路，输出光经所述第一光路切换单元入射至所述能量吸收单元。
较佳地，所述第一激光器和第二激光器发出的激光波长相同。
较佳地，所述第一激光器和第二激光器发出的激光均为绿光波长或近红外波长。
较佳地，所述空间光调制器具有连续调节能力。
较佳地，所述空间光调制器由若干微单元构成，所述若干微单元组成二维空间棋盘阵列，每个所述微单元的光强输出为独立控制。
较佳地，所述二维空间棋盘阵列由一维光栅光阀拼接构建。
较佳地，所述晶圆划分为若干小单元，各小单元的反射率与对应的空间光调制器的微单元的调节系数的乘积为定值。
较佳地，所述反射率测量单元对应的晶圆的尺寸与空间光调制器中所述微单元的尺寸成比例，比例系数为所述第一聚焦光路的缩放倍率。
较佳地，所述第一整形光路和第一分光镜之间设有第二光路切换单元，所述第二光路切换单元的另一条支路经所述空间光调制器后，依次经所述第一透反镜和第一聚焦光路入射至所述晶圆表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路，输出光经所述第一光路切换单元入射至所述能量吸收单元。
较佳地，所述激光入射至所述晶圆的角度为布儒斯特角。
与现有技术相比，本发明提供的激光退火装置具有如下优点：
1、本发明通过反射率测量单元测量晶圆的反射率，根据反射率来调节空间光调制器对激光能量区域输出，保证退火光束范围内，晶圆面各控制像素点阵处能量吸收量均一，从而消除图案效应的影响；
2、本发明采用短脉冲激光退火，降低热预算，从而降低扩散和热应力变形；
3、解决了对入射角的限制，不再受限于布儒斯特角。
附图说明
图1为本发明实施例一的激光退火装置的系统框图；
图2为本发明一具体实施方式中晶圆的划分示意图；
图3为本发明一具体实施方式中退火面经空间光调制器调制后光强分布示意图；
图4为本发明实施例二的激光退火装置的系统框图。
图中：10-系统控制器；
20-载片台控制器、201-载片台；
40-第一激光控制器、401-第一激光器、402-第一整形光路、403-第一分光镜、404-第一能量探测器、306-第一透反镜、307-第一聚焦光路、405-第二聚焦光路、406-第一光路切换单元、407-第二能量探测器；309-第二光路切换单元；
30-第二激光控制器、301-第二激光器、302-第二整形光路、303-第二分光镜、304-第三能量探测器、305-空间光调制器、308-能量吸收单元；
50-晶圆、501-晶片边缘、502-小单元、503-单元间隙。
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。
实施例1
本发明提供的激光退火装置，如图1所示，包括用于承载晶圆50的载片台201、第一能量探测器404、第二能量探测器407、第三能量探测器304、空间光调制器305、能量吸收单元308、系统控制器10以及与所述系统控制器10分别相连的载片台控制器20、反射率测量单元、能量调制退火单元。所述载片台控制器20与用于承载晶圆50的载片台201相连并控制载片台201运动，所述反射率测量单元发出的激光一部分进入第一能量探测器404，另一部分入射至所述晶圆50表面，经晶圆50表面反射后入射至第二能量探测器407，根据所述第一能量探测器404与第二能量探测器407的数值得到所述晶圆50反射率；所述能量调制退火单元发出的激光一部分进入第三能量探测器304，另一部分经空间光调制器305入射至所述晶圆50表面，经晶圆50表面反射后入射至能量吸收单元308；上述所得晶圆反射率的值输入空间光调制器305的输入端。本发明通过反射率测量单元测量晶圆50的反射率，根据反射率来调节空间光调制器305对激光能量区域输出，保证退火光束范围内，晶圆面各控制像素点阵处能量吸收量均一，从而消除图案效应的影响。
较佳地，请继续参考图1，所述反射率测量单元依次包括第一激光控制器40、第一激光器401、第一整形光路402、第一分光镜403、第一透反镜306、第一聚焦光路307、第二聚焦光路405以及第一光路切换单元406，所述系统控制器10与所述第一激光控制器40相连，所述第一激光控制器40用于控制所述第一激光器401，所述第一激光器401发出的激光进入第一整形光路402进行整形，再经过所述第一分光镜403按比例进行分光，一部分入射至第一能量探测器404，另一部分经所述第一透反镜306和第一聚焦光路307入射至所述晶圆50表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路405，输出光经所述第一光路切换单元406入射至所述第二能量探测器407。通过所述第一能量探测器404和第二能量探测器407的数值最终确定晶圆50的反射率。
较佳地，请继续参考图1，所述能量调制退火单元依次包括第二激光控制器30、第二激光器301、第二整形光路302以及第二分光镜303，所述系统控制器10与所述第二激光控制器30相连，所述第二激光控制器30用于控制所述第二激光器301，所述第二激光器301发出的激光进入第二整形光路302进行整形，再经过所述第二分光镜303按比例进行分光，一部分入射至第三能量探测器304，另一部分经所述空间光调制器305后依次经所述第一透反镜306和第一聚焦光路307入射至所述晶圆50表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路405，输出光经所述第一光路切换单元406入射至所述能量吸收单元308。根据所述反射率测量单元测得的反射率，运用空间光调制器305进行空间能量调制，从而保证减小器件光学属性波动引起的光学吸收差异，从而降低了图案效应引起的激光退火温度非均匀性。
较佳地，所述第一激光器401和第二激光器402发出的激光波长相同，具体地，所述第一激光器401和第二激光器402发出的激光均为绿光波长或近红外波长，本发明采用短脉冲激光退火，降低热预算，从而降低扩散和热应力变形。
较佳地，请重点参考图2和图3，所述空间光调制器305具有连续调节能力，具体地，所述空间光调制器305由若干微单元构成，所述若干微单元通过EMES工艺制造，拼接成二维空间棋盘阵列，具体地，空间光调制器305包含m×n个微单元，其中，m和n为正整数。各微单元的光强输出可独立调节，其调节系数分别为c11，c12，c13……cmn，以实现不同的能量输出，较佳地，所述二维空间棋盘阵列由一维光栅光阀拼接构建，扫描区域的尺寸由光栅光阀拼接后的尺寸以及聚焦光路的倍率最终确定。另外，反射率测量单元主要的难点在于周期性图形造成的散射，可优选基于散射测量原理实现散射光收集与度量。
较佳地，请继续参考图2和图3，所述晶圆50上除晶片边缘501部分以外，被划分为若干小单元502组成的棋盘，当然，各小单元502之间以单元间隙503分隔，如图2所示，通过载片台201带动晶圆50扫描，依次获取棋盘上N×N个小单元502的反射率R11，R12，R13……RNN，其中，N为正整数。
为保证晶圆面上能量吸收均一性，退火过程入射的棋盘点阵上，各棋盘格子上，各小单元502的反射率与对应的空间光调制器305的微单元的调节系数的乘积为定值，较佳地，所述反射率测量单元对应的晶圆50的尺寸与空间光调制器305中所述微单元的尺寸成比例，比例系数为所述第一聚焦光路307的缩放倍率。
假设第一激光器401输出总能量为I，经过空间光调制器305的m×n个独立微单元反射通过第一聚焦光路307最终入射到晶圆面上的m×n个单元，空间光调制器305上任一单元的尺寸和晶圆面对应照射的小区域尺寸为聚焦光率的缩放倍率，在进行反射率测量时，光斑的尺寸与空间光调制器305独立控制微单元入射晶圆面上的尺寸一致，反射率测量时，晶圆50上m×n个小单元502形成的反射率序列为R11，R12……Rmn，其对应的空间光调制器305的调节系数为c11，c12，c13……cmn，根据能量吸收均一性要求，各单元需满足如下关系：
即：c11(1-R11)＝c12(1-R12)＝…＝cmn(1-Rmn)。
较佳地，所述激光入射至所述晶圆50的角度无特定限制，优选为布儒斯特角，以提高退火激光利用率。
实施例2
较佳地，如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述反射率测量单元以及能量调制退火单元共用同一套第一激光控制器40、第一激光器401、第一整形光路402以及第一分光镜403，并在所述第一整形光路402和第一分光镜403之间增设第二光路切换单元309，所述第二光路切换单元309的一条支路经过所述第一分光镜403按比例进行分光，一部分入射至第一能量探测器404，另一部分入射至所述第二能量探测器407，与实施例1相同，此处不予赘述；所述第二光路切换单元309的另一条支路经所述空间光调制器305后，依次经所述第一透反镜306和第一聚焦光路307入射至所述晶圆50表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路405，输出光经所述第一光路切换单元406入射至所述能量吸收单元308，实现能量调制退火。
综上所述，本发明提供的激光退火装置，包括用于承载晶圆50的载片台201、第一能量探测器404、第二能量探测器407、第三能量探测器304、空间光调制器305、能量吸收单元308、系统控制器10以及与所述系统控制器10分别相连的载片台控制器20、反射率测量单元、能量调制退火单元。所述载片台控制器20与用于承载晶圆50的载片台201相连并控制载片台201运动，所述反射率测量单元发出的激光一部分进入第一能量探测器404，另一部分入射至所述晶圆50表面，经晶圆50表面反射后入射至第二能量探测器407，根据所述第一能量探测器404与第二能量探测器407的数值得到所述晶圆50反射率；所述能量调制退火单元发出的激光一部分进入第三能量探测器304，另一部分经空间光调制器305入射至所述晶圆50表面，经晶圆50表面反射后入射至能量吸收单元308；上述所得晶圆50反射率的值输入所述空间光调制器305的输入端。本发明通过反射率测量单元测量晶圆50的反射率，根据反射率来调节空间光调制器305对激光能量区域输出，保证退火光束范围内，晶圆面各控制像素点阵处能量吸收量均一，从而消除图案效应的影响。
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 (12)

1.一种激光退火装置，其特征在于，包括用于承载晶圆的载片台、第一能量探测器、第二能量探测器、第三能量探测器、空间光调制器、能量吸收单元、系统控制器以及与所述系统控制器分别相连的载片台控制器、反射率测量单元、能量调制退火单元；所述载片台控制器与所述载片台相连并控制载片台运动，所述反射率测量单元发出的激光一部分进入第一能量探测器，另一部分入射至所述晶圆表面，经晶圆表面反射后入射至第二能量探测器，根据所述第一能量探测器与第二能量探测器的数值得到所述晶圆反射率；所述能量调制退火单元发出的激光一部分进入第三能量探测器，另一部分经空间光调制器入射至所述晶圆表面，经晶圆表面反射后入射至能量吸收单元；上述所得晶圆反射率的值输入所述空间光调制器的输入端。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述反射率测量单元依次包括第一激光控制器、第一激光器、第一整形光路、第一分光镜、第一透反镜、第一聚焦光路、第二聚焦光路以及第一光路切换单元，所述系统控制器与所述第一激光控制器相连，所述第一激光控制器用于控制所述第一激光器，所述第一激光器发出的激光进入第一整形光路进行整形，再经过所述第一分光镜按比例进行分光，一部分入射至第一能量探测器，另一部分经所述第一透反镜和第一聚焦光路入射至所述晶圆表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路，输出光经所述第一光路切换单元入射至所述第二能量探测器。
3.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述能量调制退火单元依次包括第二激光控制器、第二激光器、第二整形光路以及第二分光镜，所述系统控制器与所述第二激光控制器相连，所述第二激光控制器用于控制所述第二激光器，所述第二激光器发出的激光进入第二整形光路进行整形，再经过所述第二分光镜按比例进行分光，一部分入射至第三能量探测器，另一部分经所述空间光调制器后依次经所述第一透反镜和第一聚焦光路入射至所述晶圆表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路，输出光经所述第一光路切换单元入射至所述能量吸收单元。
4.如权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器发出的激光波长相同。
5.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器发出的激光均为绿光波长或近红外波长。
6.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述空间光调制器具有连续调节能力。
7.如权利要求6所述的激光退火装置，其特征在于，所述空间光调制器由若干微单元构成，所述若干微单元组成二维空间棋盘阵列，每个所述微单元的光强输出为独立控制。
8.如权利要求6所述的激光退火装置，其特征在于，所述二维空间棋盘阵列由一维光栅光阀拼接构建。
9.如权利要求6所述的激光退火装置，其特征在于，所述晶圆划分为若干小单元，各小单元的反射率与对应的空间光调制器的微单元的调节系数的乘积为定值。
10.如权利要求8所述的激光退火装置，其特征在于，所述反射率测量单元对应的晶圆的尺寸与空间光调制器中所述微单元的尺寸成比例，比例系数为所述第一聚焦光路的缩放倍率。
11.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一整形光路和第一分光镜之间设有第二光路切换单元，所述第二光路切换单元的另一条支路经所述空间光调制器后，依次经所述第一透反镜和第一聚焦光路入射至所述晶圆表面，经反射后入射至所述第二聚焦光路，输出光经所述第一光路切换单元入射至所述能量吸收单元。
12.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光入射至所述晶圆的角度为布儒斯特角。
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