CN109686686A - 激光热处理装置及激光热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光热处理或退火装置及激光热处理或退火方法，能够有效地对晶圆进行杂质激活处理等热处理。包括：三个激光器，三个激光器各自具有激光控制器；还包括系统控制单元，系统控制单元进行三个激光脉冲的总体时序控制以及与运动台的同步时序控制，系统控制单元为脉冲发生器的形式。该激光热处理或退火装置实现多光束叠加、时序可控，能够实现波长、能量、脉冲作用时间、脉冲作用时序等多个参数的调节，可以实现在同一套装置能够兼容处理较深和较浅热处理或退火工艺加工，在保证获得优异热处理或退火性能的同时可以大幅提高工艺加工效率，降低工艺处理成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体行业激光热处理或退火技术领域，具体涉及一种激光热处理或退火系统及其热处理或退火方法，可针对功率半导体器件生产中不同深度的热处理或退火需求，如用于对离子注入到功率器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)背面的杂质进行激活、或消除晶圆表层内的结晶缺陷以恢复结晶的处理等，提供一种高性能的工艺匹配解决方案，在大幅提高激活效率和晶格质量、增大热处理或退火深度的同时能够降低系统热预算、提高产率且有效避免薄片工艺加工中的碎片问题。
背景技术
术语解释：1)激活效率：激光退火工艺加工后，能够激活的杂质离子浓度占总掺杂杂质离子浓度的百分比。2)脉宽：激光脉冲的宽度，一般用于衡量激光作用时间。
功率器件在进行芯片制造时，在晶圆背面进行的离子注入工艺会对晶格造成严重的损伤，所掺杂的杂质离子未能位于正确的晶格位置，因此此时并不具备有效的电活性，需要再对材料进行加热处理，用于修复晶格损伤并激活电活性，这种加热处理工艺即为退火。传统使用的退火工艺，包括炉管退火、闪光灯退火(FLA，Flash LampAnnealing)等，由于退火温度低、时间长等缺点，并不能很好地激活杂质，且易于造成不必要的额外扩散，随着器件尺寸的逐渐缩小，这种额外扩散所带来的缺陷也愈来愈成为需要解决的问题。
激光退火，由于瞬时温度高、作用时间短、热预算低等优势，能够很好地满足高效激活的工艺要求，已经逐渐成为扩散的关键工艺之一。尤其是，对于新一代IGBT器件，因采用电场中止(FieldStop)技术，可以将晶圆(衬底、基板)研磨得很薄来降低通态损耗，通常的晶圆厚度在100-200μm，高端的设计甚至要求使用70μm以下的超薄片，在这种薄片/超薄片上进行背面退火时，为保证器件正面的铝不会因为高温熔化，要求正面温度必须控制在450℃以内，采用激光退火能够将退火时间控制在微秒量级，从而保证晶圆正面的有效控温；另外，该类型器件在晶圆背面涉及到N+和P+两层掺杂激活，掺杂深度甚至可以达到3μm以上，这种情况下激光退火几乎是获得高退火性能的唯一方案。
上述激光退火方法中，较常见的方法为由绿光波段的激光对晶圆进行加热处理，在具体实施形式上可能由一个绿光激光源进行退火加工，或由两个相同波长的绿光激光源通过脉冲相对延迟输出进行退火加工。然而，由于材料对单一波长激光的吸收限制，当仅有绿光照射晶圆时，激光的吸收深度范围保持在较浅的水平(1μm以内)，而且随着表面温度的逐渐上升激光的吸收也会逐渐减弱，例如当波长为515nm的绿光照射晶圆时，室温(300°K)下激光的吸收深度为0.79μm，随着表面温度逐渐上升至1000°K，激光吸收深度减至约0.16μm，尤其是当表面发生熔融时，激光的吸收深度骤减至8nm，因此采用单绿光进行退火的方法在激光的吸收模式上十分受限，尤其是面向较深的退火需求，难以突破吸收深度限制达到有效、充分激活的效果。
进一步地，也有同时采用脉冲绿光与连续红外光进行退火加工的方法，此时有两种波长的激光作用于晶圆表面，如专利CN102668039A，由脉冲振荡激光光源产生并经过整形的上升时间缓慢且脉宽较长的脉冲激光束、和由连续振荡激光光源产生并经过整形的近红外激光束，对晶圆表面进行复合照射，由此来进行退火处理。近红外激光能够对绿光退火进行辅助，相对于单纯的绿光激光退火，在深度方向上的热扩散能够更加充分，从而达到提升激活效率的效果。然而，对于起到主要退火作用的绿光，仅仅依靠单个激光器难以获得灵活的脉宽调制，使得沿深度方向的温度梯度无法更加精确地有效控制，很难兼顾不同深度的退火需求，同时连续红光的照射由于更加迅速的热积累在进行薄片晶圆加工时会造成严重翘曲甚至碎片。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种多光束叠加的激光热处理装置或系统，对晶圆表面进行热处理，包括：三个激光器，三个激光器各自具有激光控制器；还包括系统控制单元，系统控制单元进行三个激光输出的总体时序控制以及与运动台的同步时序控制，系统控制单元为脉冲发生器的形式，其中三种激光器包含两种波长。
本发明提出的多光束叠加的激光热处理装置或系统，可用于激光退火，还可以用于如激光晶化的类似热处理过程。
本发明提出的上述多光束叠加的激光热处理系统，可用于多种激光热处理工艺的多种光束的多种时序控制的光束叠加，不限于下面所述的一种实施方式的红外光和绿光的叠加，也可以是其它种光束的叠加，也不限于下述的一种实施方式的先红外光后绿光的时序控制，也可以是其它时序控制，面向多种工艺需求均能够获得良好的性能。
本发明通过多光束叠加、时序可控的热处理/退火系统，打破了单一波长激光作用的吸收受限模式，利用晶圆对不同波长激光的吸收特性，选取吸收深浅不同、作用时序不同、能量可调节的激光叠加使用，能够更加细化控制热处理/退火温度及时间，在多个参数维度大幅扩充工艺优化空间，可以更加灵活地应对不同的热处理/退火工艺需求，尤其是对于现有IGBT器件的双层热处理/退火需求，可以实现在同一热处理/退火装置兼容处理较深和较浅热处理/退火工艺加工，在保证获得优异热处理/退火性能的同时可以大幅提高工艺加工效率，降低工艺处理成本。
本发明进一步提出一种多光束叠加的激光热处理/退火方法，通过双绿光叠加红外光的同时使用，并精确控制相对输出时序，可以达到有效控制温度曲线的效果。具体方法为：
第一步为红外光预热，红外光在时序上先于绿光作用于晶圆，沿扫描方向红外光先于绿光对晶圆进行加热；
第二步为在红外光作用之后的一定时间内，第一个绿光脉冲照射晶圆表面，使晶圆获得基础退火温度，起到预先退火的效果；
第三步为第二个绿光脉冲，在第一个绿光脉冲作用后的较短时间内，进行加热，达到最终退火激活的效果，优选第二个绿光脉冲以不低于第一个绿光脉冲的能量密度进行加热。
优选地，利用本发明提出的上述激光热处理装置或系统，执行上述激光热处理/退火方法，该激光热处理装置或系统包括：两个相同波长的绿光激光器，这两个绿光激光器脉冲优选重复频率相同且都输出脉宽小于600ns的激光脉冲，同时在输出时序上具有严格的时间关系；一个红外光激光器，可以输出连续光同时也可以通过脉冲调制输出与绿光激光器相同频率、但脉宽较长的脉冲光；一个精密光学系统，用于将三束激光光斑精确地叠加于晶圆的同一位置。
优选地，绿光波段激光器波长范围为500nm～560nm，红外光激光器波长范围为780nm～1550nm；且红外光斑宽度与绿光光斑宽度的比例要大于1.5，和/或投射到晶圆(4)表面的绿光光斑的宽度在10-400μm范围，和/或红外光斑的宽度在30-800μm范围。
在起到主要退火作用的绿光波段，选择两个脉宽＜600ns的激光脉冲进行相对延迟，优选延迟时间需要控制在10ns-3000ns的范围，既能够保证激光脉冲作用的峰值功率，又相对延长了激光作用时间，使尤其在注入深处的加热温度保持时间更长，对于杂质激活效率能够有效改善。
在此基础上，进一步控制预热红外光与第一个绿光脉冲的相对输出时序，能够进一步调制温度作用曲线，控制升温降温的速度，使沿深度方向的温度梯度更为缓和，有利于沿深度方向的熔融层之后的固态激活，能够有效解决晶圆注入深处的晶格缺陷问题，在一定程度上保证了深度激活的晶格质量。
具体的能量、时序调制方法为：针对较浅的退火需求，可相对缩短红外光作用时间并缩短两个绿光脉冲之间的延时；针对较深的退火需求，可延长红外光作用时间或直接采用连续红外光；在进行薄片晶圆加工时，可调整红外光脉冲的宽度至适合参数以控制晶圆内的热量积累；在面向较高的表面温度要求时，可各自调制两个绿光的能量并匹配两者之间的相对延时来获得较高的退火温度。
进一步地，由于面积更大的辅助红外光斑的叠加使用，较大程度上匀化了光斑在扫描方向的均匀性，能够降低扫描重叠率，进一步提升产率，通过对系统在脉冲重复频率与扫描重叠率上的优化设计，产率能够提高至2-3倍以上，极大地优化了设备的效能。
本发明提出的多光束叠加的激光热处理系统和热处理方法，能够达到以下效果：
本发明能够精确控制沿深度方向的温度梯度，起到有效调制热处理/退火温度曲线的效果，能够保证较高的激活效率和较深的热处理/退火深度，最为关键的是能够增强固态激活率，从而提高注入较深处的晶格修复质量，获得更优的热处理/退火性能。
本发明通过多光束叠加、时序可控的热处理/退火系统，极大拓展了工艺优化能力，不但能够更好地针对特定的工艺需求进行工艺性能匹配，还拓宽了设备的工艺窗口，面向可能出现的多种工艺需求均能够获得良好的性能。
本发明所述的激光热处理/退火系统，在合成出射光束时产生的小尺寸光斑，可以有效降低碎片率，由于在达到同样功率密度时小尺寸光斑的输出的总能量少，对晶圆造成的热膨胀总量较少，同时也通过时序控制能够有针对性的控制在薄片上的激光作用时间，进一步减弱薄片晶圆的热积累，大幅降低系统碎片率，极大地提高了设备可靠性。
进一步地，由于辅助光斑的叠加使用，较大程度上匀化了光斑在扫描方向的均匀性，能够降低扫描重叠率，进一步提升产率，产率能够提高至2-3倍以上，极大地优化了设备的效能。
附图说明
图1为激光热处理系统核心工艺模块。
图2为激光扫描热处理工艺原理。
图3为多光束叠加激光热处理系统示意图。
图4为光学系统示意图。
图5为绿光、红外光的光斑在晶圆上的重叠分布示意图。
图6为两个绿光和红外光的作用时序关系图。
标号说明：1.系统控制单元；2.光学系统；3.出射光束；4.晶圆；5.载片台；6.第一耦合镜(两个绿光的耦合镜)；7.第二耦合镜(绿光与红外光的耦合镜)；8.光阑；9.镜头；L1.第一个绿光激光器；L2.第二个绿光激光器；L3.红外激光器；C1.第一个绿光激光器的控制器；C2.第二个绿光激光器的控制器；C3.红外激光器的控制器；M1.激光功率计；M2.束斑分析仪；E1.绿光扩束准直模块；E2.红外扩束准直模块；H1.绿光整形匀光模块；H2.红外整形匀光模块；V1.绿光能量调节模块；V2.红外能量调节模块；A1.绿光工艺快门开关；B1.投射到晶圆的绿光束斑；B2.投射到晶圆的红外束斑。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的多光束叠加、时序可控的激光热处理或退火系统，其系统结构如图3-6所示：
上述激光热处理或退火系统具有三个激光器：L1、L2、L3，且各自具有激光控制器C1、C2、C3，由系统控制单元1进行三个激光脉冲的总体时序控制以及与运动台5的同步时序控制，系统控制单元1为脉冲发生器的形式。
优选地，L1、L2为绿光波段激光器，两者波长相同，优选波长范围为500nm～560nm，比如504nm、515nm、527nm、532nm等，L3为红外光激光器，优选波长范围为780nm～1550nm，比如800nm、808nm、810nm、1030nm、1064nm、1550nm等。
两种波长的激光均经过精密校准的光学系统2，合成出射光束3，以一定角度投射到晶圆4表面的同一位置，载片台5承载晶圆进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆，完成激光热处理或退火工艺过程。
光学系统2完成由光源束斑至目标束斑的光束准直、匀化、合成及投影功能，具体结构如图4所示：第一激光器L1和第二激光器L2发出的光束进入到光学系统后，由第一耦合镜6(两个绿光的耦合镜)合成一束光，经过扩束准直模块E1、整形匀光模块H1、能量调节模块V1、工艺开关模块A1等系列光路，由圆形光斑整形为能量分布相对均匀的线斑或矩形斑，进入第二耦合镜7(绿光与红外光的耦合镜)；第三个激光器L3发出的光束，同样经过扩束准直模块E2、整形匀光模块H2、能量调节模块V2，也被整形为形状一致但尺寸相对较大的线斑或矩形斑，进入第二耦合镜7(绿光与红外光的耦合镜)；经绿光与红外光的耦合镜7对两种波长的光束进行合成，并由光阑8进行边缘处理，最后由镜头9投射至目标尺寸及目标位置；出射光束3的功率由安装在载片台的功率计M1检测，出射光束的束斑形状由安装在载片台另一端的束斑分析仪检测。
上述光学系统使得，能够严格控制三束激光的出光时序，且能将三束激光投射到晶圆上的光斑在空间分布上做到非常优的中心对准，出光时序能够保证有效的温度曲线，而这种高的空间分布重叠度相当程度上保证了激活深度与激活的均匀性。
在空间分布上，经上述精密校准的光学系统所输出的两种波长的光斑在晶圆上的形状如图5所示：这两种波长的光斑形状一致，一般为线形或矩形，两光斑的中心在X、Y、Z三个方向均重合；光斑在长轴方向上一般为平顶分布，在短轴方向上为高斯分布或平顶分布。
红外光的光斑尺寸B2大于绿光光斑尺寸B1：一般在长轴方向上，红外光斑的长度要大于等于绿光光斑的长度，比如绿光光斑长度为3mm、4mm、5mm，相应地，红外光斑长度一般在3-3.5mm、4-4.5mm、5-5.5mm；在短轴方向上，为保证预热效果，红外光斑宽度要至少大于绿光光斑宽度的1.5倍以上，比如红外光斑与绿光光斑的宽度比可以为1.6、1.7、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0等，在实际系统中，绿光光斑的宽度一般在10-400μm范围，比如绿光光斑宽度可以为30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm等，和/或红外光斑的宽度一般在30-800μm，比如红外光斑的宽度可以为45μm、60μm、75μm、90μm、100μm、120μm、150μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm等。在时间分布上，绿光激光器L1、L2的每个激光器的脉宽可单独调节，调节范围为50-600ns，比如100ns、150ns、200ns、250ns、300ns、400ns、500ns等；红外激光器L3可以工作在连续模式，也可以切换至脉冲模式，当L3工作在脉冲模式时，输出波形为方波，且脉冲重复频率与L1、L2保持一致，脉宽可从1μs调至1个脉冲周期，比如红外光的脉宽为5us、10us、20us、30us、50us等，当脉宽调至1个脉冲周期时，为连续光输出模式。
L1、L2、L3之间的时序关系如图6所示：L1、L2之间的时间延迟可调节，调节范围为10ns-3000ns，比如L1与L2之间的脉宽延迟可以设定为100ns、300ns、500ns、800ns、1000ns、1200ns、1500ns、2000ns、3000ns等；L1与L3之间的时间延迟至少需＞100ns。
上述系统在进行激光退火工艺加工时，以出射光束位置固定、载片台运动的方式示例，如图1-2，方法如下：
第一步，将晶圆4传送在载片台5上，载片台5通过上面安装的载片卡盘吸附住晶圆4；
第二步，载片台5承载晶圆4运动到扫描起始位置；
第三步，L1、L2、L3按照设定的能量、脉宽、时序等输出至晶圆表面；
第四步，载片台5进行第一行匀速扫描；
第五步，当扫描至行末时，关断退火激光束L1、L2、L3，载片台5步进运动至下一行起始位置，并打开退火激光束；
第六步，载片台5进行下一行匀速扫描；
重复步骤(5)和步骤(6)，直到激光束覆盖整片晶圆4，即完成退火扫描。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光热处理装置，对晶圆(4)表面进行热处理，其特征在于，包括：三个激光器(L1、L2、L3)，三个激光器(L1、L2、L3)各自具有激光控制器(C1、C2、C3)；还包括系统控制单元(1)，系统控制单元(1)进行三个激光输出的总体时序控制以及与运动台(5)的同步时序控制，系统控制单元(1)为脉冲发生器的形式，其中三种激光器包含两种波长。
2.如权利要求1所述的激光热处理装置，其特征在于，该热处理为退火处理。
3.如权利要求1所述的激光热处理装置，其特征在于，其中两个激光器(L1、L2)为绿光激光器，两者波长相同；第三个激光器(L3)为红外光激光器。
4.如权利要求3所述的激光热处理装置，其特征在于，绿光波段激光器波长范围为500nm～560nm，红外光激光器波长范围为780nm～1550nm；
和红外光斑宽度与绿光光斑宽度的比例要大于1.5；
和/或投射到晶圆(4)表面的绿光光斑的宽度在10-400μm范围，
和/或红外光斑的宽度在30-800μm范围。
5.如权利要求1所述的激光热处理装置，其特征在于，三个激光器(L1、L2、L3)的激光均经过精密校准的光学系统(2)，合成出射光束(3)，以一定角度投射到晶圆(4)表面的同一位置，载片台(5)承载晶圆(4)进行来回扫描及步进运动，最终使激光束覆盖整张晶圆(4)，完成激光热处理工艺过程。
6.如权利要求5所述的激光热处理装置，其特征在于，光学系统(2)完成由光源束斑至目标束斑的光束准直、匀化、合成及投影功能，第一激光器(L1)和第二激光器(L2)发出的光束进入到光学系统后(2)，由第一耦合镜(6)合成一束光，经过扩束准直模块(E1)、整形匀光模块(H1)、能量调节模块(V1)、工艺开关模块(A1)，由圆形光斑整形为能量分布相对均匀的线斑或矩形斑，进入第二耦合镜(7)；第三个激光器(L3)发出的光束，同样经过扩束准直模块(E2)、整形匀光模块(H2)、能量调节模块(V2)，被整形为形状一致但尺寸相对较大的线斑或矩形斑，进入第二耦合镜(7)；经第二耦合镜(7)对两种波长的光束进行合成，并由光阑(8)进行边缘处理，最后由镜头(9)投射至目标尺寸及目标位置。
7.如权利要求5所述的激光热处理装置，其特征在于，光学系统(2)使晶圆(4)表面上其中一种激光器的照射区域大于另两个激光器的照射区域。
8.如权利要求5所述的激光热处理装置，其特征在于，三个激光器的光斑形状一致，为线形或矩形，光斑在长轴方向上为边沿陡峭的平顶分布，在短轴方向上为高斯分布或平顶分布。
9.一种激光退火方法，对晶圆(4)表面进行热处理，其特征在于，该激光退火方法，包括以下步骤：
第一步，为红外光预热，体现在红外光不但在时序上先于绿光作用于晶圆，而且在空间分布上因覆盖区域大于绿光覆盖区域而在扫描方向前沿起到提前预热作用；
第二步，为第一个绿光脉冲的加热作用，在第一个绿光脉冲进行作用时晶圆获得基础退火温度，起到预先退火的效果；
第三步，为第二个绿光脉冲在第一个绿光脉冲作用后的较短时间内，以不低于第一个绿光脉冲的能量密度进行加热，达到最终退火激活的效果。
10.如权利要求9所述的激光退火方法，其特征在于，利用权利要求1-8之一所述的激光热处理装置执行所述激光退火方法；和/或第一个绿光脉冲和第二个绿光脉冲之间的时间延迟可调节，调节范围为10ns-3000ns；和/或第一个绿光脉冲与红外光之间的时间延迟至少＞100ns。
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