CN109935532B - 激光热处理装置和处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光热处理装置，包括：激光器、光源调整模块、工件台模块和工件旋转模块，所述工件旋转模块安装在所述工件台模块上，所述激光器发出的光经所述光源调整模块调整后形成光斑，所述工件台模块带动工件接收所述光斑，所述工件旋转模块配置为带动所述工件旋转以使所述光斑照射区域覆盖所述工件的待处理区域。本发明还提供了一种激光热处理装置和处理方法,通过工件旋转模块带动工件旋转实现对工件的激光热处理，产率将直接和工件台转速，以及旋转的圈数直接相关，提升了热处理效率。

Description

激光热处理装置和处理方法

技术领域

本发明涉及激光热处理领域，尤其是一种激光热处理装置和处理方法。

背景技术

激光热处理应用越来越广泛，主要领域包括：IC前道USJ、TFT的LTPS 激光晶化、IGBT背面退火和LED激光剥离等新兴应用领域。各应用领域工艺不同，对设备的需求也存在着差异。

IGBT作为新型功率半导体器件又称绝缘栅双极型晶体管，是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等强电控制等产业领域。它问世近三十年，已做到8吋硅晶片、6500伏的高水平。国内IGBT行业与国外相比还存在巨大差距，主要是芯片生产技术上，包括芯片设计、制造和封装环节。特别是IGBT制造工艺虽与集成电路有相似之处，但集成电路厂没有功率电子的生产工艺。设计思路也不一样。单就承受电压来说要达到数千伏，硅片厚度减薄至40μm及以下，远远超过了集成电路，需要专门对应开发的背面工艺设备，如高能离子注入，激光退火设备，Taiko减薄设备，质子辐照设备等。针对背面工艺的不断优化过程，也是新材料、新工艺不断被研究、开发和拓展的过程。

高亮度垂直结构LED激光剥离是近年来新开发的激光应用。通常情况下，蓝光/绿光LED是由几微米厚的氮化镓(GaN)薄膜在蓝宝石衬底上外延生长形成的。一些LED的制造成本主要取决于蓝宝石衬底本身的成本和划片—裂片加工成本。对于传统的LED倒装横向结构，蓝宝石是不会被剥离的，因此，阴极和阳极都在同一侧的氮化镓外延层(EPI)。这种横向结构对于高亮度LED有几个缺点：材料内电流密度大、电流拥挤、可靠性较差、寿命较短；此外，通过蓝宝石的光损很大。设计人员通过激光剥离(LLO)工艺可以实现垂直结构的LED，它克服了传统的横向结构的各种缺陷。垂直结构LED可以提供更大的电流，消除电流拥挤问题以及器件内的瓶颈问题，显著提高LED的最大输出光功率与最大效率。

传统激光热处理是采用H型工件台搭载带E-pin(吸附支架)的吸盘，工件台进行XY方向移动，激光头不动，受限于晶圆弧形边缘，采用同步小光斑Y 向扫描，X向步进方案，传统线性扫描的产率受限于光斑大小以及激光光斑重叠率设置，对于8寸硅片产率约20片/小时，产率较低，整个热处理过程的瓶颈时间即热处理扫描时间。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种激光热处理装置和处理方法,以解决现有激光热处理工艺产率较低的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种激光热处理装置，包括：激光器、光源调整模块、工件台模块和工件旋转模块，所述工件旋转模块安装在所述工件台模块上，所述激光器发出的光经所述光源调整模块调整后形成光斑，所述工件台模块带动工件接收所述光斑，所述工件旋转模块配置为带动所述工件旋转以使所述光斑照射区域覆盖所述工件的待处理区域。

进一步地，所述工件设置在所述工件旋转模块上，且配置为与光斑入射方向垂直。

进一步地，所述工件为圆形，所述工件旋转模块的旋转轴与所述工件圆心所在轴同轴设置。

进一步地，所述光斑尺寸等于工件的直径或半径。

进一步地，所述光源调整模块包括配置为产生线性平顶光斑的线性调整组件。

进一步地，所述光源调整模块还包括光斑补偿组件，所述光斑补偿组件配置为对光斑能量进行能量补偿以使得在工件被处理的表面上光斑能量均匀分布。

进一步地，所述线性调整组件包括光学镜片组件和物镜，所述激光器产生的光经所述光学镜片组件和物镜处理后形成光斑。

进一步地，所述激光热处理装置还包括第一监测模块和第二监测模块，所述第一监测模块配置为监测未照射至工件时所述光斑的形貌，所述第二监测模块配置为监测照射至工件后光斑的形貌，并在与所述第一监测模块检测结果满足预设条件时产生提醒信息。

本发明还提供了一种激光热处理方法，包括：

S1：将激光器发出的光经光源调整模块调整后形成光斑；

S2：通过工件台模块带动工件接收所述光斑；

S3：通过工件旋转模块带动工件旋转以使所述光斑照射区域覆盖所述工件的待处理区域。

进一步地，在步骤S1中，将激光器发出的光经光源调整模块调整后形成线性平顶光斑。

进一步地，还包括：

S4：对所述光斑进行能量补偿，使得所述工件的待处理区域上的光斑能量均匀分布。

进一步地，步骤S2包括：

S2.1：将所述工件设置在所述工件台模块上；

S2.2：调整所述光源调整模块和/或所述工件的位置使得所述光斑垂直入射至所述工件；

S2.3：通过所述工件台模块带动所述工件平移运动使得所述光斑入射至所述工件的待处理区域。

进一步地，步骤S3包括：

通过工件旋转模块带动所述工件旋转，使得所述光斑形成圆形覆盖区域，通过所述工件台模块带动所述工件平移运动使得所述覆盖区域能够覆盖所述工件的待处理区域。

进一步地，步骤S3还包括：判断所述圆形覆盖区域是否能覆盖所述工件的待处理区域，若判断为是，则带动所述工件旋转或带动所述工件平移及旋转使得所述覆盖区域覆盖所述工件的待处理区域；若判断为否，则调整所述光斑的尺寸，使得所述光斑旋转形成的所述圆形覆盖区域能够覆盖所述工件的待处理区域。

进一步地，还包括：

监测并比较未照射至工件时和照射至工件后所述光斑的形貌，并在比较结果满足预设条件时产生提醒信息。

本发明提供了一种激光热处理装置和处理方法,通过采用进行能量补偿后的长度不小于工件半径的线性平顶光斑和工件旋转模块带动工件旋转实现对工件的激光热处理，突破了工件弧形边缘和传统光斑大小与重叠率的限制，提升了热处理效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光热处理装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光热处理装置形成的线性光斑的能量分布示意图；

图3为本发明实施例提供的激光热处理装置形成的光斑的形貌示意图；

图4为本发明实施例提供的激光热处理装置退火温度随深度的仿真曲线；

图5为本发明实施例对半径50mm硅片进行扫描时的示意图；

图6为本发明实施例对半径50mm硅片进行扫描时的示意图；

图7为本发明实施例对半径100mm硅片进行扫描时的示意图。

图中，1：第二监测模块，2：工件台模块，3：工件，4：衰减片，5：图像传感器，6：第一监测模块，7：光束，8：物镜，9：光学镜片组件，10：光电探测组件，11：功率探测组件，12：激光器。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种激光热处理装置，包括：激光器12、光源调整模块、工件台模块2和工件旋转模块(未图示)，所述工件旋转模块安装在所述工件台模块2上，所述激光器12发出的光经所述光源调整模块调整后形成光斑，所述工件台模块2带动工件3接收所述光斑，所述工件旋转模块配置为带动所述工件3旋转以使所述光斑照射区域覆盖所述工件3的待处理区域。

进一步地，所述工件3设置在所述工件旋转模块上，且配置为与光斑入射方向垂直。优选地，所述工件3为圆形，例如为圆形的硅片，所述工件旋转模块的旋转轴与所述工件3圆心所在轴同轴设置。

工件旋转模块具体包括旋转吸盘，通过控制工件台模块旋转，使得工件台模块上的旋转吸盘带动旋转吸盘上放置的工件旋转。

请参考图2，所述光源调整模块包括配置为产生线性平顶光斑的线性调整组件，形成的线性平顶光斑如图2所示，该线性平顶光斑的矩形长边为平顶分布，短边为高斯分布。图3示意了光斑的形貌示意图，调整工件台模块，使得该光斑照射在工件台模块上的工件待处理区域处，通过所述工件旋转模块带动工件旋转使得光斑相对工件形成圆周，覆盖工件的待处理区域。

进一步地，所述光斑尺寸等于工件3的直径或半径，但不限于此。当光斑尺寸等于工件3的半径时，需要控制工件相对光斑至少旋转360度以覆盖工件的待处理区域；当光斑尺寸等于工件3的直径时，可以控制工件相对光斑旋转 180度以覆盖工件的待处理区域。显然地，也可以根据退火工艺要求控制工件进行多次重复旋转。

在本实施例中，仅通过单轴控制，搭配合适的激光器及光路组合，采用线性扩束技术，在保证定位和对准精度前提下，实现了退火产率提升，退火能量密度和均匀性范围可调，尤其适合4～8寸(50～200mm)晶圆级退火应用需求。

在通过工件旋转模块带动工件旋转时，工件上由外部边缘至内部区域的角速度相同，但线速度不同，因此工件上待处理区域能量分布不均匀。为实现不同线速度轨迹点上热处理的均一性，在本实施例中，所述光源调整模块还包括光斑补偿组件，所述光斑补偿组件配置为对光斑能量进行能量补偿以使得在工件被热处理的表面(即工件上的待处理区域)上光斑能量均匀分布。

在补偿后，请参考图5-图7，该线性平顶光斑的短边(Y方向的能量分布) 仍然为高斯分布，但是矩形长边(X方向的能量分布)为斜顶分布。

当线性光斑面积确定、激光功率确定(光路已补偿)，工件热处理面上每一个点的能量是确定的，通过工件旋转模块的转速控制可以对能量密度实行精细化控制，如圈数*能量密度＝总能量密度，即能量密度按旋转圈数等分。

进一步地，所述线性调整组件包括光学镜片组件9和物镜8，所述激光器 12产生的光经所述光学镜片组件9和物镜8处理后将光束7汇聚形成光斑。

为了实时监控光斑的形貌，所述激光热处理装置还包括第一监测模块6和第二监测模块1，所述第一监测模块配置为监测未照射至工件时所述光斑的形貌，所述第二监测模块配置为监测照射至工件后光斑的形貌，并在与所述第一监测模块检测结果满足预设条件时产生提醒信息。

所述第一监测模块6具体包括图像传感器5，且还包括衰减片4，所述第二监测模块1包括图像传感器，所述激光热处理装置还包括处理单元，所述处理单元配置为获取第一监测模块6和第二监测模块1的监测信息，并在所述第二监测模块与第一监测模块检测结果满足预设条件时产生提醒信息。

在本实施例中，所述激光热处理装置还包括光电探测组件10和功率探测组件11。

本发明实施例还提供了一种激光热处理方法，包括：

S1：将激光器12发出的光经光源调整模块调整后形成光斑；

S2：通过工件台模块2带动工件3接收所述光斑；

S3：通过工件旋转模块带动工件3旋转以使所述光斑照射区域覆盖所述工件3的待处理区域。

在步骤S1中，将激光器发出的光经光源调整模块调整后形成线性平顶光斑。形成的线性平顶光斑如图2所示，该线性平顶光斑的矩形长边为平顶分布，短边为高斯分布。

在通过工件旋转模块带动工件旋转时，工件上由外部边缘至内部区域的角速度相同，但线速度不同，因此工件上待处理区域能量分布不均匀。为实现不同线速度轨迹点上热处理的均一性，所述方法还包括：

S4：对所述光斑进行能量补偿，使得所述工件3的待处理区域上的光斑能量均匀分布。

其中，步骤S4可以设置在步骤S1中，也可以设置在步骤S1后，步骤S4 和步骤S2或S3的时间顺序不作限定。

具体地，步骤S2包括：

S2.1：将所述工件设置在所述工件台模块上；

S2.2：调整所述光源调整模块和/或所述工件3的位置使得所述光斑垂直入射至所述工件；

S2.3：通过所述工件台模块带动所述工件3平移运动使得所述光斑入射至所述工件的待处理区域。

进一步地，步骤S3包括：

通过工件旋转模块带动所述工件3旋转，使得所述光斑形成圆形覆盖区域，通过所述工件台模块带动所述工件3平移运动使得所述覆盖区域能够覆盖所述工件的待处理区域。

步骤S3还包括：

判断所述圆形覆盖区域是否能覆盖所述工件3的待处理区域，若判断为是，则带动所述工件旋转或带动所述工件3平移及旋转使得所述覆盖区域覆盖所述工件的待处理区域；若判断为否，则调整所述光斑的尺寸，使得所述光斑旋转形成的所述圆形覆盖区域能够覆盖所述工件3的待处理区域。在判断为否时，例如可以调整光源调整模块使得光斑的尺寸相应改变。

为了实时监控光斑的形貌，所述方法还包括：

监测并比较未照射至工件时和照射至工件后所述光斑的形貌，并在比较结果满足预设条件时产生提醒信息。

如图4所示，根据硅表面退火加工工艺需求进行仿真，形成表1。

表1

表1表明波长343～532mm的激光器可以满足退火工艺需求。

以所述激光热处理装置应用在IGBT激光退火领域为例，通过退火工艺实现激活，采用激光波长343～532mm退火,针对不同基底选择不同光斑(50/100mm) 选用的激光器特性为：光斑尺寸：步进方向3.42mm；扫描方向0.225mm；光斑均匀性：<5％；步进方向：5.4％；扫描方向：积分均匀性3.97％

a)半径50mm硅片应用场景：

如图5所示，可以选用50mm光斑尺寸，当硅片交接到工件台模块上，二次对准使得光斑照射在硅片上目标位置后开始线性扫描，通过控制工件旋转模块的旋转角速度，利用光强线速度与光强成反比，经计算后进行光强补偿。调节相应转速(速度范围50-400mm/s)，可以通过单圈或者多圈完成退火过程。

b)半径50mm硅片应用场景：

如图6所示，可以选用两个25mm光斑组成50mm光斑(可以通过激光头增加退火线性光斑长度，激光器功率足够的情况下仅需要通过光纤引出相同的激光头即可)，当硅片交接到工件台模块上，二次对准使得光斑照射在硅片上目标位置后开始线性扫描，通过控制工件旋转模块的旋转角速度，利用光强线速度与光强成反比，经计算后进行光强补偿。调节相应转速(速度范围 50-400mm/s)，可以通过单圈或者多圈完成退火过程。

c)半径100mm硅片应用场景：

如图7所示，可以选用两个50mm光斑组成100mm光斑，当硅片交接到工件台模块上，二次对准使得光斑照射在硅片上目标位置后开始线性扫描，通过控制工件旋转模块的旋转角速度，利用光强线速度与光强成反比，经计算后进行光强补偿。调节相应转速(速度范围50-400mm/s)，可以通过单圈或者多圈完成退火过程。

对于将所述激光热处理装置应用在垂直结构LED激光剥离领域，选用激光器特性为：光斑尺寸：步进方向3.42mm；扫描方向0.225mm；光斑均匀性： <5％；步进方向：5.4％；扫描方向：积分均匀性3.97％，采用激光波长343～532mm 退火。同理，可以应用于多种不同半径的硅片退火领域，在此不再赘述。

本发明提供了一种激光热处理装置和处理方法,通过采用进行能量补偿后的长度不小于工件半径的线性平顶光斑和工件旋转模块带动工件旋转实现对工件的激光热处理，突破了工件弧形边缘和传统光斑大小与重叠率的限制，提升了热处理效率。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种激光热处理装置，其特征在于，包括：激光器、光源调整模块、工件台模块和工件旋转模块，所述工件旋转模块安装在所述工件台模块上，所述激光器发出的光经所述光源调整模块调整后形成光斑，所述工件台模块带动工件接收所述光斑，所述工件旋转模块配置为带动所述工件旋转以使所述光斑随着所述工件旋转在所述工件上扫过的照射区域覆盖所述工件的待处理区域；其中，所述激光热处理装置通过控制所述工件旋转模块的旋转角速度，利用旋转线速度与工件接收到的光强成反比，对所述照射区域进行光强补偿；

所述激光热处理装置还包括第一监测模块和第二监测模块，所述第一监测模块配置为监测未照射至工件时所述光斑的形貌，所述第二监测模块配置为监测照射至工件后光斑的形貌，并在所述第二监测模块与所述第一监测模块的检测结果满足预设条件时产生提醒信息。

2.如权利要求1所述的激光热处理装置，其特征在于，所述工件设置在所述工件旋转模块上，且配置为与光斑入射方向垂直。

3.如权利要求2所述的激光热处理装置，其特征在于，所述工件为圆形，所述工件旋转模块的旋转轴与所述工件圆心所在轴同轴设置。

4.如权利要求3所述的激光热处理装置，其特征在于，所述光斑尺寸等于工件的直径或半径。

5.如权利要求1所述的激光热处理装置，其特征在于，所述光源调整模块包括配置为产生线性平顶光斑的线性调整组件。

6.如权利要求5所述的激光热处理装置，其特征在于，所述光源调整模块还包括光斑补偿组件，所述光斑补偿组件配置为对光斑能量进行能量补偿以使得在工件被处理的表面上光斑能量均匀分布。

7.如权利要求5所述的激光热处理装置，其特征在于，所述线性调整组件包括光学镜片组件和物镜，所述激光器产生的光经所述光学镜片组件和物镜处理后形成光斑。

8.一种激光热处理方法，其特征在于，包括：

S1：将激光器发出的光经光源调整模块调整后形成光斑；

S2：通过工件台模块带动工件接收所述光斑，其中，监测并比较未照射至工件时和照射至工件后所述光斑的形貌，并在比较结果满足预设条件时产生提醒信息；

S3：通过工件旋转模块带动工件旋转以使所述光斑随着所述工件旋转在所述工件上扫过的照射区域覆盖所述工件的待处理区域，其中，通过控制所述工件旋转模块的旋转角速度，利用旋转线速度与工件接收到的光强成反比，对所述照射区域进行光强补偿。

9.如权利要求8所述的激光热处理方法，其特征在于，在步骤S1中，将激光器发出的光经光源调整模块调整后形成线性平顶光斑。

10.如权利要求9所述的激光热处理方法，其特征在于，还包括：

S4：对所述光斑进行能量补偿，使得所述工件的待处理区域上的光斑能量均匀分布。

11.如权利要求8所述的激光热处理方法，其特征在于，步骤S2包括：

S2.1：将所述工件设置在所述工件台模块上；

S2.2：调整所述光源调整模块和/或所述工件的位置使得所述光斑垂直入射至所述工件；

S2.3：通过所述工件台模块带动所述工件平移运动使得所述光斑入射至所述工件的待处理区域。

12.如权利要求11所述的激光热处理方法，其特征在于，步骤S3包括：

通过工件旋转模块带动所述工件旋转，使得所述光斑形成圆形覆盖区域，通过所述工件台模块带动所述工件平移运动使得所述覆盖区域能够覆盖所述工件的待处理区域。

13.如权利要求12所述的激光热处理方法，其特征在于，步骤S3还包括：判断所述圆形覆盖区域是否能覆盖所述工件的待处理区域，若判断为是，则带动所述工件旋转或带动所述工件平移及旋转使得所述覆盖区域覆盖所述工件的待处理区域；若判断为否，则调整所述光斑的尺寸，使得所述光斑旋转形成的所述圆形覆盖区域能够覆盖所述工件的待处理区域。

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