CN107479203B - 在激光退火系统中用于控制边缘轮廓的定制光瞳光阑 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式一般涉及具有用于将图案成像于基板上的光学元件的激光退火系统。光学元件可包含将图像整形以暴露于基板的表面上的多个孔或一个孔。该图像可由光学元件系统内的孔的形状加以确定。

Description

在激光退火系统中用于控制边缘轮廓的定制光瞳光阑
本申请是申请日为2013年12月18日、申请号为201380074089.X、发明名称为“在激光退火系统中用于控制边缘轮廓的定制光瞳光阑形状”的发明专利申请的分案申请。
背景
技术领域
本发明的实施方式一般涉及具有用于将图案成像于基板上的光学元件的激光退火系统。更具体地，本发明的实施方式涉及在激光退火系统中用于控制边缘轮廓(edgeprofile)的定制光瞳光阑(customized pupil stop)形状。
背景技术
热处理普遍实行于半导体工业。半导体基板在历经许多转化的情况下经受受热处理，这些变化包含：硅化，结晶化，氧化，栅极、源极、漏极和沟道结构的掺杂、活化和退火，、以及类似处理。热处理技术已经从简单的炉烘焙发展到各种形式的日益增快的快速热处理，诸如RTP、尖峰退火(spike annealing) 和激光退火。
传统的激光退火处理使用激光发射器，激光发射器可以是具有光学元件的半导体激光器或固态激光器，光学元件会将激光加以聚焦、散焦、或者变化地加以成像而成为所需的形状。一种普遍的方法是将激光成像成为一条线或细矩形图像。在整个基板上扫描激光(或基板被移动至激光下方)以处理基板表面。
众所周知的是，用相干光产生的图像表现出明显的边界(sharp definition)，但还包括一个显著的峰突(overshoot)，或“振铃(ringing)”效应，其特征在于在接近图像边缘处具有高强度非均匀性，而以非相干光所产生的相同的图像则表现出较少的边界，其特征在于平缓的肩部与有点拓宽的滚降(roll-off)宽度，但还表现出较少的峰突。在部分相干光的情况下，所产生的图像相较于以完全相干光所产生的图像具有减小的振铃效应，且表现出比以完全非相干光所产生的图像更窄的滚降。在激光光学元件系统中使用孔可能会影响振铃效应和滚降。然而，目前的孔通常不提供有关于峰突和滚降的期望结果。
因此，本领域中存在对激光退火系统中的改良孔的需求。
发明内容
本发明的实施方式一般涉及具有用于在基板上提供图像的光学元件的激光退火系统。光学元件可包含将图像整形以暴露于基板的表面上的多个孔或一个孔。该图像可由光学元件系统内的孔的形状加以确定。
一个实施方式提供一种用于在光学系统中使用的装置。该装置包含：光源，该光源适于提供具有第一数值孔径的照射；第一孔，该第一孔受该光源照射且适于形成图像；以及第二孔，该第二孔设置于该第一孔的下游。该装置进一步包含中继光学元件(relayoptic)，该中继光学元件包含第二数值孔径，该第二数值孔径由该第二孔所限定，其中该第二孔适于匹配比值，该比值是沿第一方向和第二方向在平面上的所述第一孔的所述第一数值孔径比上所述中继光学元件的所述第二数值孔径的比值，所述第二方向垂直于所述第一方向。
附图说明
因此，通过参照实施方式，以能详细理解本发明的上述特征的方式，可获得以上简要概述的本发明的更具体描述，附图中图解了这些实施方式中的一些实施方式。但是，应注意到，附图只图解了本发明的典型实施方式，因此不视为限制本发明的范围，因为本发明可容许其他等效的实施方式。
图1是根据某些实施方式的热处理装置的示意图。
图2是根据某些实施方式的图1的热处理装置中的光学元件的示意图。
图3是根据某些实施方式的中继孔的平面图。
为了有助于了解，已经在任何可能的地方使用相同的参考标记来表示各图共有的相同元件。预期一个实施方式的元件与特征可有利地并入在其他实施方式中，而不用另外详述。
具体实施方式
本发明的实施方式一般涉及具有用于将图案成像于基板上的光学元件的激光退火系统。光学元件可包含将图像整形以暴露于基板的表面上的多个孔或一个孔。该图像可由光学元件系统内的孔的形状加以确定。
图1是用于基板的激光处理的系统100的平面图。系统100包含能量模块 102以及脉冲控制模块104，能量模块102具有产生多个激光脉冲的多个脉冲激光源，脉冲控制模块104将各个激光脉冲组合成组合激光脉冲。脉冲控制模块104控制这些组合激光脉冲的强度、频率特性、以及极化特性。系统100 还包含脉冲整形模块106以及均化器(homogenizer)108，脉冲整形模块106调整这些组合激光脉冲的时间剖面(temporal profile)，均化器108通过将组合激光脉冲叠加成为单一均匀场而调整这些脉冲的空间能量分布。在一个实施方式中，均化器108所产生的光包含提供均匀场的两道激光光束。
系统100进一步包含孔构件116以及中继光学元件118，孔构件116从单一均匀场中去除残留的边缘非均匀度，中继光学元件118便于激光能量场与基板支撑件110上设置的基板精确对准。控制器112耦接于能量模块102以控制激光脉冲的产生、耦接于脉冲控制模块104以控制脉冲特性、以及耦接于基板支撑件110以控制基板相对于能量场的移动。包围系统(enclosure system)114 一般而言包围系统100的操作部件。
激光器可以是能够形成高功率激光辐射的短脉冲的任何类型激光器，短脉冲例如持续时间(duration)少于约100纳秒(nsec)。通常，使用具有超过500种空间模式(spatialmode)且M2高于约30的高模态(modality)激光器。诸如 Nd:YAG激光器、Nd:玻璃激光器、钛掺杂蓝宝石(titanium-sapphire)激光器或者其他稀土掺杂的晶体激光器之类的固态激光器被频繁地使用，但可以使用气体激光器，这些气体激光器诸如是准分子激光器，例如氯化氙(XeCl2)激光器、氟化氩(ArF)激光器、或氟化氪(KrF)激光器。
激光可由例如q-开关(被动的(passive)或主动的(active))、增益开关(gainswitching)、或锁模(mode locking)来开关。也可在紧邻激光器的输出部处使用普克尔斯盒(Pockels cell)，以通过中断激光器所发射的光束而形成脉冲。一般而言，能用于脉冲激光处理的激光能够产生持续时间介于约1纳秒(nsec)与约 100微秒(μsec)之间的、具有介于约100毫焦耳(mJ)与约1焦耳(J)之间的能量值的激光辐射脉冲，通常是在约8纳秒(nsec)内具有约1焦耳的能量值的激光辐射脉冲。这些激光可具有介于约200纳米(nm)与约2000纳米之间的波长，诸如介于约400纳米与约1000纳米之间的波长，例如约532纳米的波长。在一个实施方式中，这些激光是q-开关倍频Nd:YAG激光。这些激光可皆工作于同一波长，或这些激光中的一个或更多个激光可工作于与能量模块102内的其他激光不同的波长。这些激光可被放大以发展所期望的功率级。在一个或更多个实施方式中，放大介质(amplificationmedium)具有与产生激光的介质 (lasing medium)相同或相似的组成成分。每一个激光脉冲通常本身被放大，但在某些实施方式中，所有激光脉冲可在组合之后被放大。
传送至基板的典型激光脉冲可以是多激光脉冲的组合。多脉冲产生于受控时间且彼此之间具有受控关系，使得当多脉冲被组合时，单激光辐射脉冲使得具有受控的时间和空间能量剖面、受控的能量上升(energy rise)、持续时间、衰减以及受控的能量不均匀性的空间分布。控制器112可具有耦接于每一个激光器(例如每一个激光器的每一个开关)的脉冲发生器(例如耦接于电压源的电子计时器)以控制来自于每一个激光器的脉冲的产生。
图2是图1的热处理装置中的光学元件的局部示意图。图2所绘示的光学元件包含孔构件116与中继光学元件118，孔构件116例如是以上所描述的。孔构件116，例如投射孔件，一般位于系统100内的中继光学元件118的上游处。因此，光在经过中继光学元件118之前，必定穿过孔构件116中的开口(或孔)。一般而言，孔构件116起光束整形孔的作用，光束整形孔把从一个或更多个源自于孔构件116上游的激光光束而来的光截断。在一个实施方式中，孔构件116可实质上是矩形的。应注意，在此所描述的光学系统可工作在1X的放大倍率，然而也可预期其他放大倍率。因此，在孔构件116处图像的“尺寸”与该图像在基板表面上时的尺寸相同。
中继光学元件118包含第一中继光学元件202、第二中继光学元件204以及中继孔206，例如光瞳光阑。第一中继光学元件202可包含被选择成以所期望的方式传送图像的一个或多个透镜。第一中继光学元件202设置于孔构件 116与中继孔206之间。第二中继光学元件204可包含被选择成以所期望的方式传送图像的一个或多个透镜。第二中继光学元件204设置于中继孔206与基板支撑件(未示出)之间。
图3是根据某些实施方式的中继孔300的平面图。中继孔206可以是中继孔300。当来自于系统100的光被提供至孔构件116时，一些量的光会被孔构件116截断且被阻止进入中继光学元件118与中继孔300。成像光学元件118 的最终目的是将孔构件116成像在基板的表面上。中继孔300减少与光的相干性相关的峰突或“振铃”，且设定基板表面处图像的分辨率。在一个实施方式中，中继孔被选择成提供少于约5微米(μm)边缘滚降。在这样的背景下，边缘滚降被定义成一种距离，一旦超过该距离图像强度会从标称边缘强度下降 90％。
在使用多激光源的特定的某些实施方式中，多角度θ的入射激光照射孔构件116。普遍将角度θ称做光照数值孔径(illumination numerical aperture)(NAi)。该NAi由表达式NAi＝Sin(θ)给定。因具有多光源，在孔构件116处有一种光的角度的分布，这种分布导致在中继孔300处的光的空间范围增加。当NAi变成与中继数值孔径(NArelay)在数值上相等时，光的空间范围布满中继孔300。
如显微领域所周知的，NAi与NArelay的比值是目标照射的空间相干度的程度的测量值(在此实施方式中，目标是孔构件116)。在光刻领域，数值孔径的比值普遍被表示为σ＝NAi/NArelay。当σ远小于1(σ<<1)时，光在中继孔 300中的空间范围相较于中继孔300的尺寸而言是小的。照射的空间相干度非常高且相干效应(例如强峰突与小边缘滚降)出现在由中继光学元件118所形成的最终图像中。当σ大于等于1(σ≥1)时，照射的空间相干度非常低且光完全布满中继孔300。最终的图像呈现出可以忽略不计的峰突但是有较大的边缘滚降。
在一个实施方式中，在孔构件处的X轴上的σ等于0.75，而在孔构件处的 Y轴上的σ等于0.75。在一个实施方式中，中继孔300的几何形状被选择成与孔构件300的X与Y轴上的σ紧密匹配。就这点而言，一个实施方式保证了匹配XY平面的X方向与Y方向上的σ。以出现的峰突量以及相关孔尺寸来平衡图像分辨率以及相关边缘滚降。σ的匹配与平衡分辨率与峰突可通过调整中继孔300的几何形状来实现。
中继孔300包含主体302、第一边缘310、第二边缘312以及开口304。在一个实施方式中，主体302包含铝，然而预期可以使用诸如掩模或非透明材料之类的其他适合的材料来形成中继孔300的主体302。主体302还包含主体 302的周界上的实质为圆形的周边。在一个实施方式中，第二边缘312如图3 所示实质上是直线形的且沿X轴定向而第一边缘310是弯曲的。两个第二边缘312与两个第一边缘310的组合形成长圆形，或“跑道(racetrack)”型开口 304。开口304实质上是沿X轴和Y轴两者对称的。第一边缘312和第二边缘 310形成在主体内且通常为尖锐的(sharp)、斜的(bveled)边缘。
开口304设置于主体302的中心区域。开口304沿X轴延伸距离A，距离A位于弯曲边缘310每一边缘之间的中心区域上。在一个实施方式中，距离A介于约30毫米(mm)与约50毫米(mm)之间，例如介于约35毫米(mm)与约40毫米(mm)之间，例如约37毫米(mm)。开口304沿Y轴延伸距离C，距离C位于直线边缘312每一边缘之间。在一个实施方式中，距离C介于约5 毫米(mm)与约25毫米(mm)之间，例如介于约10毫米(mm)与20毫米(mm)之间，例如，约15毫米。
通过中继孔300成像的光由一个或更多个激光光束所提供。在一个实施方式中，提供第一激光光束306与第二激光光束308。在中继孔例如中继孔300 处，开口304围绕激光光束306和308，且不截断穿过中继孔300传播的光。开口304可以容纳可具有实质上为圆形的横截面的一个或更多个激光光束。激光光束306和308可以是相同的。激光光束306或308的直径D可介于约5 毫米(mm)与20毫米(mm)之间，诸如约10毫米(mm)与15毫米(mm)之间，例如，大约11毫米(mm)。光束306的最外侧边缘与光束308的最外侧边缘之间的距离B可以在约20毫米(mm)与35毫米(mm)之间，诸如约25毫米(mm)与 30毫米(mm)之间，例如，约27毫米(mm)。
预期各种尺寸和形状的中继孔的开口可以被用来解决不同光源的问题。例如，四个激光光束可以被提供且实质上为方形的开口可以被提供以匹配σ值。
开口304的几何形状被选择成平衡基板表面处的图像的边缘滚降与峰突。开口304的几何形状减小了未填充有光的面积，如此减少了图像内所观察到的峰突。中继孔300被形成为提供与开口304中的激光光束图像的几何形状相匹配的形状，从而σ值不随X-Y平面上方向显著地改变。结果是有一种成像系统，对于该成像系统而言，峰突几乎与图像平面上的给定边缘方向无关。图像分辨率(边缘滚降宽度)会随图像(X-Y)平面的方向而变化(NArelay随X-Y平面上的方向而变化)。在某些实施方式中，例如激光退火应用，改变图像分辨率可较佳地具有一些边缘的过度的峰突。
虽然前述内容涉及本发明的实施方式，但是本发明的其他与进一步的实施方式可被设想出而无偏离本发明的基本范围，且本发明的范围由随附的权利要求书所确定。

Claims (16)

1.一种用于在光学系统中使用的装置，所述装置包括：
光源，所述光源用于提供具有第一数值孔径的照射；
均化器；
第一孔构件，所述第一孔构件具有第一孔，所述第一孔构件被所述光源照射且适于由所述照射形成图像；
第二孔构件，所述第二孔构件具有第二孔，所述第二孔构件设置于所述第一孔构件的下游；和
中继光学元件，所述中继光学元件沿所述照射的光轴对准，所述中继光学元件具有第二数值孔径，所述第二数值孔径由所述第二孔所限定，其中所述第二孔具有沿第一方向的尺寸和沿第二方向的尺寸，所述沿第一方向的尺寸不同于所述沿第二方向的尺寸，所述沿第一方向的尺寸适于匹配所述第一孔的所述第一数值孔径比上所述中继光学元件的所述第二数值孔径的比值。
2.如权利要求1所述的装置，其中由所述第一孔形成的所述图像是矩形的。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述光源包括多个脉冲激光源。
4.如权利要求3所述的装置，其中由所述均化器产生的照射包括具有均匀场的两道激光光束。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述第二孔构件是中继孔。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述第二孔构件包含主体，所述主体限定开口。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述开口是长圆形开口。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述长圆形开口具有多个直线边缘与多个弯曲边缘。
9.一种用于在光学系统中使用的装置，所述装置包括：
光源，所述光源用于提供具有第一数值孔径的照射；
均化器；
第一孔构件，所述第一孔构件具有第一孔，所述第一孔构件被所述光源照射且适于由所述照射形成图像；
第二孔构件，所述第二孔构件具有第二孔，所述第二孔构件设置于所述第一孔构件的下游；和
中继光学元件，所述中继光学元件具有第二数值孔径，所述第二数值孔径由所述第二孔所限定，其中所述第二孔具有沿第二方向的尺寸，所述第二方向垂直于第一方向，沿所述第一方向的尺寸匹配沿所述第一方向的所述第一孔的所述第一数值孔径比上所述中继光学元件的所述第二数值孔径的比值，并且所述沿第二方向的尺寸匹配沿所述第二方向的所述第一孔的所述第一数值孔径比上所述中继光学元件的所述第二数值孔径的比值。
10.如权利要求9所述的装置，其中由所述第一孔形成的所述图像是矩形的。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述光源包括多个脉冲激光源。
12.如权利要求11所述的装置，其中由所述均化器产生的照射包括具有均匀场的两道激光光束。
13.如权利要求9所述的装置，其中所述第二孔构件是中继孔。
14.如权利要求9所述的装置，其中所述第二孔构件包含主体，所述主体限定开口。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述开口是长圆形开口。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述长圆形开口具有多个直线边缘与多个弯曲边缘。
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