CN108406088B - 激光退火装置及其退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光退火装置及其退火方法，包括载片台、主要由预热激光光源系统和退火光学系统组成的激光光源系统、激光调节系统、测量系统、载片台移动系统以及中央控制系统，能够实现入射光束到待退火工件表面的入射角度在一定范围内可调以及光斑位置的移动，并通过载片台移动系统的调节来补偿激光调节系统的调节，使得待退火工件的退火面必须始终保持在入射光束的公共焦面内，确保退火能量的一致性；通过测量系统的测量结果能够通过中央控制系统的控制而反馈到载片台移动系统或激光调节系统的调节中，使退火过程工作在最佳的状态；此外，在载片台上设置工件保护环，既可以有效保护载片台免受退火激光光束损坏，又可以获得最大退火面积。

Description

激光退火装置及其退火方法
技术领域
本发明涉及激光退火领域，尤其涉及一种激光退火装置及其退火方法。
背景技术
在摩尔定律的推动下，芯片制造业在过去的数十年中经历了快速发展。这种持续的快速发展源自于芯片尺寸的持续缩小。与之相应地，这种更小的尺寸对芯片的加工制造工艺提出了越来越高的困难和挑战。传统的硅片快速热退火方式已经很难满足14nm及更高节点的要求。新的退火技术替代正在被大量研究。
近年来由于激光应用技术的发展，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。
当硅片经过光刻工艺之后，如TSV(through silicon via，穿透硅通孔)光刻工艺之后，硅片表面的不同位置处会形成不同的nm级几何结构以及材料属性，导致硅片表面的不同位置处对入射激光能量的吸收不一致，从而导致激光退火后硅片表面的温度分布均匀性变差，即所谓的图案效应。
图1所示为现有技术中经过特定光刻工艺处理之后的硅片表面的结构示意图，图1中的圆形的带有点状图案的部分表示硅片1’，长方形的带有栅形图案的部分表示裸芯片11’，从图1中可以看到，硅片1’表面形成有一系列黑色的方框所示的裸芯片11’。而对于形成的裸芯片，在表面上具有nm级空间尺度的一系列特定的周期性结构以及沿硅片1’内部深度方向具有不同的材料成分，如图2所示，图2中最上方的虚实折线表示硅片表面处裸芯片的周期性结构空间分布，所述周期性结构沿硅片内部深度方向上具有A、B、C、D四种不同的材料成分属性，其中，A表示全硅(Si)材料，B表示硅材料上面生长由多晶硅(P-Si)，C表示硅材料的上面生长有二氧化硅(SiO2)，其上面又覆盖有多晶硅(P-Si)，D表示硅材料的上面生长有二氧化硅(SiO2)。因此，硅片上表面对于入射光的反射率R(x,y)随着位置的不同而不同，即硅片上表面对于入射光的反射率R(x,y)是位置的函数。
根据电磁波理论，对于特定的材料表面，其反射率R(λ,θ)是入射光的波长λ以及入射角θ的函数。请参考图3A，对于特定波长的入射激光12’，以不同的入射角θ(即入射激光1’2与垂直于硅片1’表面的法线13’之间的夹角)入射时，硅片1’表面的反射率Rλ(θ)随着入射角θ的变化而变化。图3B和图3C分别给出了800nm和500nm两种波长的激光入射到图2所示的A\B\C\D四种材料结构上面的反射率随着入射角的变化曲线图。可以发现，对于同一波长λ的入射光，其反射率Rλ(θ)随着入射角θ的变化而变化，同时对于相同的入射角θ，其反射率Rθ(λ)也会随着入射光波长λ的不同而不同。所以在退火过程中需要根据工艺条件优化所需的最佳入射角度，这就需要退火设备可以实现入射光入射到硅片表面的角度在一定范围内可调，同时还需要在找到最佳入射角度后，退火光斑可以在硅片表面上移动扫描。而且随着激光退火领域技术发展，对产品的产率要求越来越高，就要求退火光斑在步进方向的尺寸越来越大，达到10mm以上。
但是现有的激光退火技术仅采用一种波长的激光器进行退火，造成硅片图案化效应，且在增大退火光斑步进尺寸时容易出现硅片表面超出光斑焦面范围的现象，从而严重影响退火温度一致性，大大降低了硅片的光刻效果和稳定性。此外，随着半导体器件集成度的提高，要求硅片上的芯片分布所占面积尽可能大，最终使得芯片已经非常接近硅片的边缘，而现有的激光退火的退火光斑在扫描硅片边缘时，会照射到工件台上，造成工件台的部件损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光退火装置及其退火方法，能够提升退火温度一致性。
为实现上述目的，本发明提出一种激光退火装置，包括：
载片台，用于承载待退火工件；
激光光源系统，设置于所述载片台上方，包括预热激光光源系统和退火激光光源系统，用于先后输出预热激光光束和退火激光光束至所述待退火工件表面，其中，所述预热激光光束和退火激光光束分别入射到所述待退火工件表面形成的光斑的各自焦面的重叠部分称为公共焦面；
激光调节系统，分别与所述预热激光光源系统和退火激光光源系统连接，用于对所述预热激光光束和退火激光光束的入射角度和形成的光斑进行调整；
测量系统，设置于所述载片台上方，至少用于对所述待退火工件进行姿态测量以及分别对所述预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面的反射率、形成的光斑的焦面进行测量；
载片台移动系统，连接所述载片台，用于调整所述载片台以调整所述待退火工件的姿态，使所述待退火工件表面相对所述预热激光光束和退火激光光束形成的光斑移动，以补偿所述激光调节系统的调节，确保所述待退火工件的退火面始终保持在所述预热激光光束和退火激光光束的公共焦面内；
中央控制系统，分别与所述激光光源系统、激光调节系统、测量系统以及载片台移动系统连接，接收所述激光光源系统、激光调节系统、测量系统以及载片台移动系统的数据信息，并对激光光源系统、激光调节系统、测量系统和载片台移动系统进行控制。
进一步的，所述载片台通过所述载片台移动系统实现立体空间中的六个自由度上的运动。
进一步的，所述载片台移动系统包括分别连接所述中央控制系统的调平机构、水平移动机构、升降移动机构以及姿态测量传感器，所述姿态测量传感器用于监测所述待退火工件的姿态并将测量结果发送至所述中央控制系统；所述调平机构、水平移动机构、升降移动机构分别在所述中央控制系统的控制下使得所述载片台调平、水平移动和升降移动。
进一步的，所述载片台与所述载片台移动系统之间设有主动减震平台，用于在调节所述载片台移动中进行震动隔离。
进一步的，所述预热激光光源系统包括沿光路排列的预热激光器和光束成型单元，所述预热激光器与所述中央控制系统连接。
进一步的，所述光束成型单元采用微透镜阵列形成。
进一步的，所述退火激光光源系统包括沿光路排列的退火激光器、分光单元、快门单元、能量衰减单元、准直扩束单元以及光束整形单元，所述退火激光器和所述中央控制系统连接。
进一步的，所述准直扩束单元和光束整形单元分别采用微透镜阵列。
进一步的，所述预热激光光束和所述退火激光光束的波长不同。
进一步的，所述激光调节系统包括布设在所述预热激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第一路激光调节系统，以及布设在所述退火激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第二路激光调节系统；两路激光调节系统分别包括沿光路排列的可移动聚焦单元以及至少一个可调反射镜单元，每个可移动聚焦单元和可调反射镜单元和所述中央控制系统连接，用于接收所述中央控制系统的控制命令，以分别对所述预热激光光束和退火激光光束的入射角度、焦面以及形成光斑的位置进行相应的调节。
每路激光调节系统中包括两个可调反射镜单元；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射位置不变而入射角度变化时，保持所述激光光束入射到待退火工件表面上的位置不变，按照相同方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，从而使所述激光光束入射到待退火工件表面上的入射角度变化；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射角度不变而入射位置变化时，按照相反方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，且所述两个可调反射镜单元的变化角度一致且是互补的。
进一步的，所述测量系统包括分别连接所述中央控制系统的姿态传感器、激光光束反射率传感器以及焦面测量组件，所述姿态传感器用于对所述待退火工件进行姿态测量，所述激光光束反射率传感器用于探测所述预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面的反射率，所述焦面测量组件用于探测所述预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面形成的光斑的焦面。
进一步的，所述焦面测量组件包括连接并受控于所述中央控制系统的图像传感器。
进一步的，所述测量系统还包括连接所述中央控制系统的温度测量组件，用于对所述待退火工件表面光斑位置处的温度进行实时测量，并将测量结果实时反馈至所述中央控制系统。
进一步的，所述测量系统还包括功率探测组件、脉宽探测组件和能量探测组件中的至少一种，所述功率探测组件、脉宽探测组件和能量探测组件分别连接至所述中央控制系统，用于接收所述中央控制系统的控制命令，以分别对激光光源系统中的预热激光光束和退火激光光束的功率、脉宽和能量进行相应的控制，并将控制结果反馈至所述中央控制系统。
进一步的，所述激光退火装置还包括安装于所述载片台上的工件保护环，所述工件保护环为不透光材料，用于保护所述载片台。
进一步的，所述工件保护环的材料为导热金属材料或者耐1200摄氏度以上高温的碳化硅材料或者陶瓷材料。
进一步的，所述激光退火装置还包括环境空气过滤器、净化气体吹扫设备、工件预热台和工件冷却台中的至少一种，其中，所述环境空气过滤器用于使退火环境保持Class10洁净度和<1E10金属离子控制度；所述净化气体吹扫设备用于在所述待退火工件表面形成惰性气体氛围；所述工件预热台用于在所述待退火工件转移到载片台上之前对所述待退火工件进行预热；所述工件冷却台用于在所述待退火工件退火完成后承载并冷却所述待退火工件。
本发明还提供一种上述的激光退火装置的激光退火方法，包括以下步骤：
S1：将待退火工件放置于载片台上，通过载片台移动系统完成所述待退火工件沿水平向的姿态调整；
S2：先通过预热激光光源系统对所述待退火工件进行预热，后通过退火激光光源系统对预热后的所述待退火工件进行退火，在所述预热和所述退火过程中或仅在所述退火过程中包括以下操作：
S21：通过测量系统确定所述待退火工件的姿态以及所述待退火工件表面上的当前的光斑位置、所述光斑位置处的反射率，以选择最佳的工艺参数组；
S22：中央控制系统根据所述最佳的工艺参数组，分别控制激光调节系统和载片台移动系统，确保所述待退火工件的退火面始终保持在入射的激光光束的公共焦面内，以及确保采用所述最佳的工艺参数组对所述光斑位置处进行曝光；
S23：所述光斑位置处的曝光完成后，所述中央控制系统控制所述激光调节系统和/或所述载片台移动系统，使光斑相对所述待退火工件表面移动至下一个曝光位置，重复步骤S21至S23，直至所述待退火工件表面所有的曝光位置均曝光完成。
进一步的，所述最佳的工艺参数组通过离线设定或者通过在线监测的信息进行在线设定。
进一步的，所述中央控制系统控制激光调节系统时，保持所述激光光束的入射位置不变而入射角度变化，或者保持入射角度不变而入射位置变化。
进一步的，所述激光调节系统包括布设在所述预热激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第一路激光调节系统，以及布设在所述退火激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第二路激光调节系统；两路激光调节系统分别包括沿光路排列的可移动聚焦单元以及两个可调反射镜单元，每个可移动聚焦单元、可调反射镜单元和所述中央控制系统分别连接；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射位置不变而入射角度变化时，保持所述激光光束入射到待退火工件表面上的位置不变，按照相同方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，从而使所述激光光束入射到待退火工件表面上的入射角度变化；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射角度不变而入射位置变化时，按照相反方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，且所述两个可调反射镜单元的变化角度一致且是互补的。
进一步的，采用所述最佳的工艺参数组对所述光斑位置处进行曝光的同时，通过所述测量系统的温度测量组件测量所述光斑位置处的温度数据，并将该温度数据发送至中央控制系统；中央控制系统根据接收的温度数据判断该温度是否满足设定的温度范围内，如果不满足，则记录该光斑位置处的曝光温度的异常情况，如果满足，则移动至下一个曝光位置。
进一步的，根据记录的所述异常情况，对下一个具有相同反射率的曝光位置进行曝光时，调节激光光源系统和激光调节系统的参数，使曝光温度处于设定的范围内。
进一步的，所述步骤S21中，选择最佳的工艺参数组包括以下步骤：
S211：选择所述预热激光光源系统输出预热激光光束和退火激光光源系统输出的退火激光光束的波长；
S212：针对所述待退火工件上的任一位置，通过所述激光调节系统调节输出的预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面上的入射角度，监控所述入射角度下的反射率，并记录对应的所述激光调节系统的调整量；
S213：通过所述载片台移动系统逐点步进移动所述载片台，确定每一个光斑位置的反射率与入射角度的对应关系，并记录对应的所述载片台移动系统的调整量；
S214：：形成包含最佳的工艺参数组的工艺文件。
进一步的，在形成所述工艺参数文件时，按照坐标位置编辑所述激光调节系统调整量、所述载片台移动系统的调整量。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)具有包括预热激光光源系统和退火光学系统的激光光源系统，发出两束不同波长的激光，能够对待退火工件退火位置先预热后退火，从而提高待退火工件表面的退火温度一致性；
(2)通过调整激光调节系统，可实现入射光束到待退火工件表面的入射角度在一定范围内可调；
(3)可以通过载片台移动系统或激光调节系统的调整，实现入射到待退火工件表面的光斑位置的移动，例如通过调整激光调节系统找到最佳入射角度后，可以通过载片台移动系统移动载片台实现激光退火扫描；
(4)载片台移动系统的调节能够补偿激光调节系统的调节，使得待退火工件的退火面必须始终保持在入射光束的公共焦面内，确保退火能量的一致性；
(5)通过测量系统的反馈机制和中央控制系统的控制机制，反馈到载片台移动系统或激光调节系统，形成闭环回路，使退火过程工作在最佳的状态，提高了退火的均匀性和可控性；尤其是测量系统中温度测量组件，能够实时测量退火温度，并使得中央控制系统控制激光光源系统输出的激光光束的能量等；
(6)在载片台上设置工件保护环，既可以有效保护载片台免受退火激光光束损坏，又可以获得最大退火面积；
(7)可以应用于14nm及以下工艺节点的半导体器件制造工艺中的激光退火制程。
附图说明
图1是现有的经过光刻工艺后的携带有裸芯片分布的硅片结构示意图；
图2是现有的裸芯片的几何结构和材料属性示意图；
图3A是硅片表面的激光入射光路图；
图3B和图3C分别是波长为800nm和500nm的两种入射激光的反射率随入射角的变化；
图4是本发明具体实施例的激光退火装置架构的侧视图；
图5是本发明具体实施例的激光退火装置架构的俯视图；
图6是本发明具体实施例的激光退火装置的光路图；
图7是本发明具体实施例的激光退火装置的公共焦面定义原理图；
图8是本发明具体实施例的第一路激光调节系统各组件的初始位置；
图9A至9D是本发明具体实施例的第一路激光调节系统各组件的调节后位置；
图10是本发明具体实施例的激光退火方法流程图；
图11是本发明具体实施例的激光退火方法中的工艺参数寻优流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。
请参考图4至图6，本发明提供的激光退火装置，主要包括：设备主框架000，发射预热激光光束005和退火激光光束006的激光光源系统001，主动减震平台002，用于承载待退火工件004(例如为14nm及以下工艺技术节点的硅片等)的载片台003，工件保护环010，环境空气过滤器011，净化气体吹扫装置012，工件预热台013，工件冷却台014，激光调节系统015，载片台移动系统016，测量系统以及中央控制系统017。
其中，设备主框架000采用一体式结构设计，载片台003和载片台移动系统016位于设备主框架000内的底部，主动减震平台002设置于载片台003和载片台移动系统016之间，用于在调节所述载片台003移动中进行震动隔离。所述载片台003通过所述载片台移动系统016实现立体空间中的X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六个自由度上的运动。
在载片台003上安装有保护载片台003以及待退火工件004的工件保护环010，特别是对待退火工件004边缘和载片台003吸盘进行防护，工件保护环010采用不透光材料，通常选用耐高温(例如耐1200摄氏度以上的高温)的陶瓷、碳化硅或是导热性较好的金属材料。工件保护环010可以为具有不同尺寸的套件，以兼容8寸及以上尺寸的硅片等待退火工件004，既可以有效保护载片台003免受退火激光光束损坏，又可以获得最大退火面积。
所述载片台移动系统016可以包括分别连接所述中央控制系统017的调平机构0161、水平移动机构(未图示)、升降移动机构(未图示)所述水平移动机构和升降移动机构可以分别包括步进电机，调节所述载片台003的水平步进和垂直步进。所述中央控制系统017向所述载片台移动系统016发送相应的控制指令，进而使得所述调平机构0161、水平移动机构、升降移动机构分别在所述中央控制系统017的控制下使得所述载片台003调平、水平移动和升降移动。
环境空气过滤器011、净化气体吹扫装置012、工件预热台013以及工件冷却台014安装在设备主框架000内的相应位置。其中，环境空气过滤器011可实现退火环境达到Class10洁净度和<1E10金属离子控制度。净化气体吹扫装置012可以在待退火工件004表面形成惰性气体氛围，大幅降低待退火工件004表面的氧气浓度。工件预热台013用于在所述待退火工件转移到载片台上之前对所述待退火工件004进行预热，降低待退火工件004因为热应力裂片的风险。退火后的硅片冷却台。工件冷却台014用于在所述待退火工件004退火完成后承载并冷却所述待退火工件004。
激光光源系统001以及激光调节系统015均设置于所述设备主框架000内的载片台003上方，激光光源系统001包括预热激光光源系统018和退火激光光源系统019。其中，预热激光光源系统用于输出预热激光光束005至所述待退火工件004表面，包括沿光路排列的预设激光器200(例如为红外激光器)、光束成型单元201，所述预热激光器200与所述中央控制系统017连接，光束成型单元201采用微透镜阵列形成。退火激光光源系统用于输出退火激光光束006至所述待退火工件004表面，包括沿光路排列的退火激光器300(例如为绿光激光器)、分光单元301、快门单元302、能量衰减单元303、准直扩束单元304以及光束整形单元305，退火激光器300和能量衰减单元303分别与中央控制系统017连接，准直扩束单元304和光束整形单元305分别采用微透镜阵列。优选地，所述预热激光光束005和所述退火激光光束006的波长不同，在进行激光退火时，预热激光光束005在前用于将待退火工件004预热到1200摄氏度，退火激光光束006在后用于将待退火工件004表面加热到1400摄氏度以上的熔融温度。
激光调节系统015能够调节预热激光光束005和退火激光光束006入射到待退火工件004表面的入射角度、水平向位置和垂向高度，即激光调节系统015能够实现激光光束入射到待退火工件004表面的角度在一定范围内可调、入射到待退火工件004上的光斑位置可移动，并能够与载片台移动系统016配合，解决在实现入射角度可调和光斑位置可移动功能的同时而带来的焦面位置的变化，从而有效减小图案化效应的影响，达到最佳的温度均匀性效果。具体地，激光调节系统015包括布设在所述预热激光光源系统018至所述待退火工件004表面的光路上的第一路激光调节系统，以及布设在所述退火激光光源系统019至所述待退火工件004表面的光路上的第二路激光调节系统；第一路激光调节系统包括沿光路排列并与所述中央控制系统017连接的可移动聚焦单元202以及可调反射镜单元203、204，用于接收所述中央控制系统017的控制命令，以对所述预热激光光束005的入射角度、焦面以及形成光斑的位置进行相应的调节；第二路激光调节系统包括沿光路排列并与所述中央控制系统017连接的可移动聚焦单元306以及可调反射镜单元307、308，用于接收所述中央控制系统017的控制命令，以对所述退火激光光束005的入射角度、焦面以及形成光斑的位置进行相应的调节。
经过激光调节系统015调节后输出的预热激光光束005和退火激光光束006分别在待退火工件004表面形成预热光斑和退火光斑，其中，如图7所示，所述预热激光光束005和退火激光光束006分别入射到所述待退火工件004表面形成的光斑的各自焦面的重叠部分称为公共焦面。
中央控制系统017分别与所述激光光源系统001、激光调节系统015、测量系统以及载片台移动系统016连接，接收激光光源系统001、激光调节系统015、测量系统以及载片台移动系统016的数据信息，并对激光光源系统001、激光调节系统015、测量系统以及载片台移动系统016进行控制，主要包括用于控制激光调节系统015的控制部分1001、用于控制激光光源系统001的输出的控制部分、用于控制测量系统的控制部分(未图示)以及用于控制载片台移动系统016的控制部分(未图示)，其中，用于控制激光光源系统001包括控制能量衰减单元303的部分1002以及用于控制快门单元302的部分1003。中央控制系统017各个的控制部分中的相应模块可以集成到一个具有显示屏的主机中，该主机括设置于所述设备主框架000外。
测量系统设置于所述设备主框架000内并位于所述载片台003上方，包括激光光束反射率传感器008、姿态测量传感器009和焦面测量组件105，所述姿态测量传感器009用于监测所述待退火工件004的姿态，并将测量结果发送至所述中央控制系统017，以使得中央控制系统017产生控制载片台移动系统016的控制指令；所述激光光束反射率传感器008用于探测所述预热激光光束005和退火激光光束006在所述待退火工件004表面的反射率；所述焦面测量组件105用于探测所述预热激光光束005和退火激光光束006在所述待退火工件004表面形成的光斑的焦面，包括连接并受控于所述中央控制系统017的图像传感器。进一步的，所述测量系统还包括分别连接所述中央控制系统017的温度测量组件007、功率探测组件101、脉宽探测组件102和能量探测组件106中的至少一种，其中，温度测量组件007可以为温度传感器，用于对所述待退火工件004表面光斑位置处的温度进行实时测量，并将测量结果实时反馈至所述中央控制系统017，以实现温度闭环反馈控制以及，评估光斑位置是否达到所需要的曝光温度；所述功率探测组件101、脉宽探测组件102和能量探测组件106分别连接至所述中央控制系统017，用于接收所述中央控制系统017的控制命令，以分别对激光光源系统001输出的预热激光光束005和退火激光光束006的功率、脉宽和能量进行相应的控制，并将控制结果反馈至所述中央控制系统017。
本发明中，中央控制系统017根据所述激光光束反射率传感器008和所述焦面测量组件105的测量结果，产生控制激光调节系统015的控制指令以控制激光调节系统015调整入射到所述待退火工件004表面的预热激光光束005和退火激光光束006，并根据姿态测量传感器009的测量结果控制载片台移动系统016来调整所述载片台003以调整所述待退火工件004的姿态，使所述待退火工件004表面相对光斑移动，从而补偿激光调节系统015的调整，确保所述待退火工件004的退火面处于预热激光光束005和退火激光光束006的光斑的公共焦面内。通过激光调节系统015和载片台移动系统016的调节，可以使得预热激光光束005和退火激光光束006入射到待退火工件004表面的入射角度在一定范围内可调，且入射到待退火工件004表面上的光斑位置可移动，并补偿由此带来的焦面位置的变化。其中，中央控制系统017控制激光调节系统015对入射到所述待退火工件004表面的光束进行调节时，具有两种情况：一是保持入射位置不变而入射角度变化；二是保持入射角度不变而入射位置变化。由于激光调节系统015的第一路激光调节系统中的可移动聚焦单元202以及可调反射镜单元203、204与第二路激光调节系统中的可移动聚焦单元306以及可调反射镜单元307、308的功效相同，下面以可移动聚焦单元202以及可调反射镜单元203、204为例，详细介绍激光调节系统015调节光束的两种情况，具体如下：
请参考图8，调节之前，待退火工件004、可移动聚焦单元202、可调反射镜单元203、204的位置及其之间的光束均处于初始状态，初始入射角度为θ，光斑位置为P；
按照第一种情况进行光束调节时，保持光束入射到待退火工件004表面上的位置不变，同时改变可调反射镜单元203和204的角度，可调反射镜单元203和204的旋转方向相同，角度变化量可以相同也可以不同，从而保持光束入射到待退火工件004表面的位置而改变入射角度，进而可以通过载片台移动系统016带动载片台003步进，使光斑相对待退火工件004表面变换位置，并根据需要可以调节可移动聚焦单元202的位置，以保证光束聚焦。具体地，请参考图9A，可调反射镜单元203和204同时逆时针旋转，角度变化量取负值(即Δθ1＝θ1’-θ1<0,)Δθ2＝θ2’-θ2<0)，光束中心在可调反射镜单元204处的垂向位置的变化量取负值(ΔL＝L3’-L3<0)，从而保持光束入射到待退火工件004表面的位置而改变入射角度，载片台移动系统016带动载片台003步进使得光斑移动到待退火工件004表面的左边缘位置P’，光束在待退火工件004表面的入射角度变为θ’，并根据需要可以调节可移动聚焦单元202的位置，以保证光束聚焦；请参考图9B，可调反射镜单元203和204同时顺时针旋转，角度变化量取正值(即Δθ1’＝θ1”-θ1>0,)Δθ2’＝θ2”-θ2>0)，垂向位置变化量取正值(ΔL’＝L3”-L3>0)，从而保持光束入射到待退火工件004表面的位置而改变入射角度，载片台移动系统016带动载片台003步进使得光斑移动到待退火工件004表面的右边缘位置P”，光束在待退火工件004表面的入射角度变为θ”，并根据需要可以调节可移动聚焦单元202的位置，以保证光束聚焦；
按照第二种情况进行光束调节时，可调反射镜单元203和204的变化角度是一致的，且是互补的，两个可调反射镜单元203和204同时转动，转动方向相反，可以实现光束入射到待退火工件004表面上的入射角度θ不变，光斑位置发生移动，并根据需要可以调节可移动聚焦单元202的位置，以保证光斑聚焦，请参考图9C和9D所示。在图9C中，保持光束在待退火工件004表面的入射角度始终为θ，光斑移动到待退火工件004表面的左边缘位置P’，且Δθ1”＝θ1”’-θ1＝θ2-θ2”’；在图9D中，保持光束在待退火工件004表面的入射角度始终为θ，光斑移动到待退火工件004表面的右边缘位置P”，且Δθ2”＝θ1””-θ1＝θ2-θ2””。
其他的不要求保持入射角度和光斑位置的调节情况，可以在相应光路上仅调节其中的一个可调反射镜单元，从而改变光束入射到待退火工件004表面的入射角度和位置。
请参考图10，本发明还提供一种上述的激光退火装置的激光退火方法，包括以下步骤：
S1：将待退火工件放置于载片台上，通过载片台移动系统完成所述待退火工件沿水平向的姿态调整，具体地，请参考图4至6，打开工件保护环010，由工件传输系统把待退火工件004放置到载片台003上，根据待退火工件004的尺寸选取对应档位的工件保护环010，然后通过中央控制系统017控制载片台移动系统106对载片台003进行调整，以完成所述待退火工件004沿水平向的姿态调整。
S2：先通过预热激光光源系统对所述待退火工件进行预热，后通过退火激光光源系统对预热后的所述待退火工件进行退火，请参考图4至6，例如，预热激光光束005在前，用于将待退火工件004预热到1200摄氏度，退火激光光束006在后，用于将待退火工件004表面加热到1400摄氏度以上的熔融温度，预热激光光束005和退火激光光束006在待退火工件004表面的入射角度能够调整，且水平向位置和垂向高度保持不变，且入射角度设置值由工艺模型软件根据工艺对象的结构特征进行匹配计算后给出，从而能够有效减小图案化效应的影响，达到最佳的温度均匀性效果。在所述预热和所述退火过程中或仅在所述退火过程中具体包括以下操作：
S21：通过测量系统确定所述待退火工件004表面上的当前的光斑位置Spot(x,y)以及所述光斑位置处的反射率R(x,y)，以选择最佳的工艺参数组θ(x，y)。
S22：中央控制系统017根据所述最佳的工艺参数组θ(x，y)，分别控制激光调节系统015和载片台移动系统016，确保所述待退火工件004的退火面始终保持在入射的激光光束005、006的公共焦面内，以及确保采用所述最佳的工艺参数组θ(x，y)对所述光斑位置Spot(x,y)处进行曝光，其中，所述中央控制系统017控制激光调节系统015进行光束调节时，可以保持所述激光光束005、006的入射位置不变而入射角度变化，或者可以保持入射角度不变而入射位置变化。在采用所述最佳的工艺参数组对所述光斑位置Spot(x,y)处进行曝光的同时，通过所述测量系统的温度测量组件007实时测量所述光斑位置处的温度数据，，通过焦面测量组件105实时测量入射光束005、006的焦面内，通过姿态传感器009实时测量待退火工件004的姿态，测量数据均实时反馈至中央控制系统017，中央控制系统017根据接收的温度数据判断该温度是否满足设定的温度范围T0±ΔT内(即图10中步骤S221)，如果不满足，则记录该光斑位置处的曝光温度的异常情况(上述过程对应图10中步骤S222)，如果满足，则移动至下一个曝光位置。中央控制系统017根据焦面测量组件105和姿态传感器的测量数据判断待退火工件004的退火面是否处于入射光束005、006的公共焦面范围I+ΔI内，若是，则保持系统不动，若否，则控制载片台移动系统016对载片台003进行调整，以使待退火工件004的该曝光位置处于入射光束005、006的公共焦面，从而提高曝光效果。进一步的，根据记录的所述异常情况，对下一个具有相同反射率的曝光位置进行曝光时，调节激光光源系统和激光调节系统的参数，使曝光温度处于设定的范围内。
S23：所述光斑位置Spot(x,y)处的曝光完成后，所述中央控制系统017控制所述激光调节系统015和/或所述载片台移动系统016，使光斑相对所述待退火工件004表面移动至下一个曝光位置，重复步骤S21至S23，直至所述待退火工件表面所有的曝光位置均曝光完成。
此外，步骤S21中的所述最佳的工艺参数组，可以通过离线设定或者通过在线监测的信息进行在线设定。请参考图11，形成待选的最佳的工艺参数组的工艺文件的过程包括：
S211：选择所述预热激光光源系统输出预热激光光束005和退火激光光源系统输出的退火激光光束006的波长；
S212：针对所述待退火工件上的任一位置(x，y)，通过所述激光调节系统015调节输出的预热激光光束005和退火激光光束006在所述待退火工件004表面上的入射角度，监控所述入射角度下的反射率R(x，y，θi)，i＝1，2，3…,并记录该位置的R(x，y，θi)值在一定偏差范围内的对应的入射角度以及对应的所述激光调节系统的调整量；
S213：通过所述载片台移动系统逐点步进移动所述载片台，确定每一个光斑位置的反射率与入射角度的对应关系，并记录每个位置的R(x，y，θi)值在一定偏差范围内的对应的入射角度以及对应的所述载片台移动系统的调整量；
S214：形成包含最佳的工艺参数组的工艺文件，具体地，根据测量的R(x，y，θi)，按照坐标位置编辑所述激光调节系统和载片台移动系统的调整量，形成包含最佳工艺参数组的工艺文件。
当待退火工件004为同一批硅片时，硅片上相同位置的图案是相同的，对于一片硅片，可以提前离线把激光退火过程中使用的工艺参数选配好，按照顺序写入激光退火流程，按照实际需求，激光退火过程中可以只进行工艺参数监测，而不进行工艺参数调整；当然，也可以根据监测到的工艺参数数据，实时工艺调整，保证退火性能的同时提高效率和产率。
综上所述，本发明的激光退火装置及其退火方法，具有包括预热激光光源系统和退火光学系统的激光光源系统，能够发出两束不同波长的激光来对待退火工件的退火位置先预热后退火；通过调整激光调节系统，可实现入射光束到待退火工件表面的入射角度在一定范围内可调，并能通过载片台移动系统或激光调节系统的调整，实现入射到待退火工件表面的光斑位置的移动，特别是能够通过载片台移动系统的调节来补偿激光调节系统的调节，使得待退火工件的退火面必须始终保持在入射光束的公共焦面内，确保退火能量的一致性；通过测量系统的反馈机制和中央控制系统的控制机制，反馈到载片台移动系统或激光调节系统，形成闭环回路，使退火过程工作在最佳的状态，提高了退火的均匀性和可控性；此外，在载片台上设置工件保护环，既可以有效保护载片台免受退火激光光束损坏，又可以获得最大退火面积。
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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (25)

1.一种激光退火装置，其特征在于，包括：
载片台，用于承载待退火工件；
激光光源系统，设置于所述载片台上方，包括预热激光光源系统和退火激光光源系统，用于先后输出预热激光光束和退火激光光束至所述待退火工件表面，其中，所述预热激光光束和退火激光光束分别入射到所述待退火工件表面形成的光斑的各自焦面的重叠部分称为公共焦面；
激光调节系统，分别与所述预热激光光源系统和退火激光光源系统连接，用于对所述预热激光光束和退火激光光束的入射角度和形成的光斑进行调整，所述激光调节系统包括布设在所述预热激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第一路激光调节系统，以及布设在所述退火激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第二路激光调节系统；所述第一路激光调节系统和所述第二路激光调节系统分别包括沿光路排列的可移动聚焦单元以及至少一个可调反射镜单元，每个可移动聚焦单元和可调反射镜单元和中央控制系统连接，用于接收所述中央控制系统的控制命令，以分别对所述预热激光光束和退火激光光束的入射角度、焦面以及形成光斑的位置进行相应的调节；
测量系统，设置于所述载片台上方，至少用于对所述待退火工件进行姿态测量以及分别对所述预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面的反射率、形成的光斑的焦面进行测量；
载片台移动系统，连接所述载片台，用于调整所述载片台以调整所述待退火工件的姿态，使所述待退火工件表面相对所述预热激光光束和退火激光光束形成的光斑移动，以补偿所述激光调节系统的调节，确保所述待退火工件的退火面始终保持在所述预热激光光束和退火激光光束的公共焦面内；
所述中央控制系统，分别与所述激光光源系统、激光调节系统、测量系统以及载片台移动系统连接，接收所述激光光源系统、激光调节系统、测量系统以及载片台移动系统的数据信息，并对激光光源系统、激光调节系统、测量系统和载片台移动系统进行控制。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述载片台通过所述载片台移动系统实现立体空间中的六个自由度上的运动。
3.如权利要求1或2所述的激光退火装置，其特征在于，所述载片台移动系统包括分别连接所述中央控制系统的调平机构、水平移动机构、升降移动机构以及姿态测量传感器，所述姿态测量传感器用于监测所述待退火工件的姿态并将测量结果发送至所述中央控制系统；所述调平机构、水平移动机构、升降移动机构分别在所述中央控制系统的控制下使得所述载片台调平、水平移动和升降移动。
4.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述载片台与所述载片台移动系统之间设有主动减震平台，用于在调节所述载片台移动中进行震动隔离。
5.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述预热激光光源系统包括沿光路排列的预热激光器和光束成型单元，所述预热激光器与所述中央控制系统连接。
6.如权利要求5所述的激光退火装置，其特征在于，所述光束成型单元采用微透镜阵列形成。
7.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述退火激光光源系统包括沿光路排列的退火激光器、分光单元、快门单元、能量衰减单元、准直扩束单元以及光束整形单元，所述退火激光器和所述中央控制系统连接。
8.如权利要求7所述的激光退火装置，其特征在于，所述准直扩束单元和光束整形单元分别采用微透镜阵列。
9.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述预热激光光束和所述退火激光光束的波长不同。
10.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，每路激光调节系统中包括两个可调反射镜单元；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射位置不变而入射角度变化时，保持所述激光光束入射到待退火工件表面上的位置不变，按照相同方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，从而使所述激光光束入射到待退火工件表面上的入射角度变化；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射角度不变而入射位置变化时，按照相反方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，且所述两个可调反射镜单元的变化角度一致且是互补的。
11.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述测量系统包括分别连接所述中央控制系统的姿态传感器、激光光束反射率传感器以及焦面测量组件，所述姿态传感器用于对所述待退火工件进行姿态测量，所述激光光束反射率传感器用于探测所述预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面的反射率，所述焦面测量组件用于探测所述预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面形成的光斑的焦面。
12.如权利要求11所述的激光退火装置，其特征在于，所述焦面测量组件包括连接并受控于所述中央控制系统的图像传感器。
13.如权利要求11所述的激光退火装置，其特征在于，所述测量系统还包括连接所述中央控制系统的温度测量组件，用于对所述待退火工件表面光斑位置处的温度进行实时测量，并将测量结果实时反馈至所述中央控制系统。
14.如权利要求11所述的激光退火装置，其特征在于，所述测量系统还包括功率探测组件、脉宽探测组件和能量探测组件中的至少一种，所述功率探测组件、脉宽探测组件和能量探测组件分别连接至所述中央控制系统，用于接收所述中央控制系统的控制命令，以分别对激光光源系统中的预热激光光束和退火激光光束的功率、脉宽和能量进行相应的控制，并将控制结果反馈至所述中央控制系统。
15.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光退火装置还包括安装于所述载片台上的工件保护环，所述工件保护环为不透光材料，用于保护所述载片台。
16.如权利要求15所述的激光退火装置，其特征在于，所述工件保护环的材料为导热金属材料或者耐1200摄氏度以上高温的碳化硅材料或者陶瓷材料。
17.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光退火装置还包括环境空气过滤器、净化气体吹扫设备、工件预热台和工件冷却台中的至少一种，其中，所述环境空气过滤器用于使退火环境保持Class10洁净度和<1E10金属离子控制度；所述净化气体吹扫设备用于在所述待退火工件表面形成惰性气体氛围；所述工件预热台用于在所述待退火工件转移到载片台上之前对所述待退火工件进行预热；所述工件冷却台用于在所述待退火工件退火完成后承载并冷却所述待退火工件。
18.一种权利要求1至17中任一项所述的激光退火装置的激光退火方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将待退火工件放置于载片台上，通过载片台移动系统完成所述待退火工件沿水平向的姿态调整；
S2：先通过预热激光光源系统对所述待退火工件进行预热，后通过退火激光光源系统对预热后的所述待退火工件进行退火，在所述预热和所述退火过程中或仅在所述退火过程中包括以下操作：
S21：通过测量系统确定所述待退火工件的姿态以及所述待退火工件表面上的当前的光斑位置、所述光斑位置处的反射率，以选择最佳的工艺参数组；
S22：中央控制系统根据所述最佳的工艺参数组，分别控制激光调节系统和载片台移动系统，确保所述待退火工件的退火面始终保持在入射的激光光束的公共焦面内，以及确保采用所述最佳的工艺参数组对所述光斑位置处进行曝光；
S23：所述光斑位置处的曝光完成后，所述中央控制系统控制所述激光调节系统和/或所述载片台移动系统，使光斑相对所述待退火工件表面移动至下一个曝光位置，重复步骤S21至S23，直至所述待退火工件表面所有的曝光位置均曝光完成。
19.如权利要求18所述的激光退火方法，其特征在于，所述最佳的工艺参数组通过离线设定或者通过在线监测的信息进行在线设定。
20.如权利要求18所述的激光退火方法，其特征在于，所述中央控制系统控制激光调节系统时，保持所述激光光束的入射位置不变而入射角度变化，或者保持所述激光光束的入射角度不变而入射位置变化。
21.如权利要求18所述的激光退火方法，其特征在于，所述激光调节系统包括布设在所述预热激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第一路激光调节系统，以及布设在所述退火激光光源系统至所述待退火工件表面的光路上的第二路激光调节系统；所述第一路激光调节系统和所述第二路激光调节系统分别包括沿光路排列的可移动聚焦单元以及两个可调反射镜单元，每个可移动聚焦单元、可调反射镜单元和所述中央控制系统分别连接；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射位置不变而入射角度变化时，保持所述激光光束入射到待退火工件表面上的位置不变，按照相同方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，从而使所述激光光束入射到待退火工件表面上的入射角度变化；当需要保持入射到所述待退火工件表面上的激光光束的入射角度不变而入射位置变化时，按照相反方向同时转动所述激光光束所在光路上的两个可调反射镜单元，且所述两个可调反射镜单元的变化角度一致且是互补的。
22.如权利要求18所述的激光退火方法，其特征在于，采用所述最佳的工艺参数组对所述光斑位置处进行曝光的同时，通过所述测量系统的温度测量组件测量所述光斑位置处的温度数据，并将该温度数据发送至中央控制系统；中央控制系统根据接收的温度数据判断该温度是否满足设定的温度范围内，如果不满足，则记录该光斑位置处的曝光温度的异常情况，如果满足，则移动至下一个曝光位置。
23.如权利要求22所述的激光退火方法，其特征在于，根据记录的所述异常情况，对下一个具有相同反射率的曝光位置进行曝光时，调节所述激光光源系统和所述激光调节系统的参数，使曝光温度处于设定的范围内。
24.如权利要求18所述的激光退火方法，其特征在于，所述步骤S21中，选择最佳的工艺参数组包括以下步骤：
S211：选择所述预热激光光源系统输出预热激光光束和退火激光光源系统输出的退火激光光束的波长；
S212：针对所述待退火工件上的任一位置，通过所述激光调节系统调节输出的预热激光光束和退火激光光束在所述待退火工件表面上的入射角度，监控所述入射角度下的反射率，并记录对应的所述激光调节系统的调整量；
S213：通过所述载片台移动系统逐点步进移动所述载片台，确定每一个光斑位置的反射率与入射角度的对应关系，并记录对应的所述载片台移动系统的调整量；
S214：形成包含最佳的工艺参数组的工艺文件。
25.如权利要求24所述的激光退火方法，其特征在于，在形成所述工艺文件时，按照坐标位置编辑所述激光调节系统调整量、所述载片台移动系统的调整量。
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