CN111383916A - 一种SiC基底的激光退火装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC基底的激光退火装置，包括：激光发射单元，用于提供退火所需的激光光源；激光整形单元，用于将激光发射单元发射的激光整形为矩形光斑，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形；扫描振镜单元，用于控制来自激光整形单元的激光光束，使其在待退火的SiC基底表面按预设扫描方式扫描；工件承载单元，用于承载待退火的SiC基底；主控制器，分别与激光发射单元、激光整形单元、扫描振镜单元和工件承载单元电连接。本发明实施例能够提供光斑能量分布均匀性，进而提高了退火均匀性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光退火技术，尤其涉及一种SiC基底的激光退火装置。
背景技术
基于Si的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的工作电压范围为600-6500V，600V以下的IGBT器件主要应用在消费电子领域；600-1200V范围的IGBT器件应用最广，被纯电动/混动汽车、电机控制器、家用电器和太阳能逆变器等采用；1200V以上的高规格IGBT被应用在电力设备、汽车电子、高铁及动车中。
然而随着数万伏高压、高于500度的高温、高频及大功率等需求，性能逼近材料特性极限的Si-IGBT已无法胜任。SiC材料以其3倍于硅的禁带宽度、10倍于硅的临界击穿电场、2倍于硅的饱和漂移速度以及3倍于硅的热导率等优良特性而得到迅速发展。SiC器件更适合高温应用，相比Si-IGBT而言最佳工作电压更高，最佳工作功率也更高，而传统的Si-IGBT也不适合高频领域。在可预见的未来，Si-IGBT的应用将逐渐被推往中、低电压，中低频率的功率器件中，SiC器件将负责处理高电压、高频率的功率器件。
SiC基底激光退火是通过激光光束照射SiC基底表面，使SiC基底表面的金属沉积层与SiC基底形成欧姆接触。目前业界通常采用圆形小光斑，在退火时，通过控制一定重叠率，来实现表面欧姆接触退火。该圆形光斑通常能量沿径向呈高斯分布，能量分布不均匀，导致退火不均匀。
发明内容
本发明提供一种SiC基底的激光退火装置，以提高激光光斑的能量分布均匀性，提高退火均匀性。
第一方面，本发明实施例提供了一种SiC基底的激光退火装置，包括：
激光发射单元，用于提供退火所需的激光光源；
激光整形单元，用于将激光发射单元发射的激光整形为矩形光斑，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形；
扫描振镜单元，用于控制来自激光整形单元的激光光束，使其在待退火的SiC基底表面按预设扫描方式扫描；
工件承载单元，用于承载待退火的SiC基底；
主控制器，分别与激光发射单元、激光整形单元、扫描振镜单元和工件承载单元电连接。
可选的，矩形光斑的步进向的能量分布呈高斯平顶。
可选的，梯形的上底边大于或等于下底边的一半。
可选的，矩形光斑的扫描向的能量分布呈等腰梯形分布，等腰梯形的底角为45±2°。
可选的，预设扫描方式为环形扫描方式，自SiC基底的边缘到中心，或者，自SiC基底的中心到边缘。
可选的，激光发射单元包括激光器、起偏器、激光控制器、分光镜和激光能量采集器；
激光控制器用于接收主控制器的控制指令，控制激光器发出预设功率和波长的激光光束；
起偏器用于将来自激光器的激光光束转变为两个偏振方向的偏振激光光束；
分光镜位于激光器的出射光路上，激光光束中第一方向的偏振激光光束透过分光镜出射，第二方向的偏振激光光束经分光镜反射后，耦合至激光能量采集器；
激光能量采集器用于采集第二方向的偏振激光光束的能量信息，并反馈给激光控制器。
可选的，激光发射单元还包括温度控制及保护器，温度控制及保护器用于实时采集激光器内部的温度信息，并反馈给激光控制器。
可选的，激光整形单元包括沿光束传播方向依次布置的准直器、扩束器和衍射光学元件；
准直器用于将来自激光发射单元的发散的激光光束准直为平行的激光光束；
扩束器用于扩大平行输入光束的直径；
衍射光学元件与主控制器电连接，用于将来自扩束器的激光光束整形为矩形光斑，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形。
可选的，扫描振镜单元包括沿光束传播方向依次布置的扫描振镜和与扫描振镜配合的聚焦透镜，扫描振镜与主控制器电连接，包括X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜。
可选的，聚焦透镜为远心镜。
可选的，激光器为355nm固体激光器。
可选的，该激光退火装置还包括快门单元，快门单元与主控制器电连接，位于准直器和扩束器之间，用于控制激光光束的单次扫描时间。
本发明实施例提供的SiC基底的激光退火装置，通过激光整形单元，将来自激光发射单元的激光光束整形为矩形光斑，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形，提高了光斑能量分布均匀性，进而提高了退火均匀性。
附图说明
图1为现有技术中一种激光光斑的形貌示意图；
图2为本发明实施例提供的一种SiC基底的激光退火装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中经激光整形后的一种激光光斑的形貌示意图；
图4为本发明实施例中经激光整形后的另一种激光光斑的形貌示意图
图5为光强与退火半径的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有作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，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
现有技术中，其中一种方案是将光斑整形为线性光斑，光斑步进向的长度远大于扫描向的长度，以提高退火效率，图1为现有技术中一种激光光斑的形貌示意图，如图1所示，C1为光斑形貌图，曲线A1为光斑步进向的能量分布曲线，光斑步进向的能量呈严格的90°平顶高斯Top-Flat分布，步进向能量分布具有陡峭的边缘。曲线B1为光斑扫描向的能量分布曲线，由于扫描向的宽度较窄，光斑扫描向的能量难以实现呈严格的90°平顶高斯Top-Flat分布，光斑扫描向的能量呈高斯分布，该方案虽然能够提高退火效率，但其光斑扫描向能量分布不均匀，导致退火不均匀。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种SiC基底的激光退火装置，图2为本发明实施例提供的一种SiC基底的激光退火装置的结构示意图，如图2所示，该退火装置包括激光发射单元100、激光整形单元200、扫描振镜单元300、工件承载单元400和主控制器500，激光发射单元100、激光整形单元200、扫描振镜单元300和工件承载单元400沿激光光路传播方向依次布置。其中，激光发射单元100用于提供退火所需的激光光源；激光整形单元200用于将激光发射单元100发射的激光整形为矩形光斑，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形；扫描振镜单元300用于控制来自激光整形单元200的激光光束，使其在待退火的SiC基底表面按预设扫描方式扫描；工件承载单元400用于承载待退火的SiC基底；主控制器500分别与激光发射单元100、激光整形单元200、扫描振镜单元300和工件承载单元400电连接，用于控制激光发射单元100、激光整形单元200和扫描振镜单元300工作，以及在退火前控制工件承载单元400移动到退火工位。
图3为本发明实施例中经激光整形后的一种激光光斑的形貌示意图，如图3所示，C2为该光斑的形貌图，A2为光斑步进向的能量分布曲线，B2为光斑扫描向的能量分布曲线，通过激光整形单元200将激光发射单元100发射的激光整形为矩形光斑，扫描向(Y向)长度为与步进向(X向)长度相当，光斑形貌大致呈方形，方形光斑增大了光斑扫描向的长度，有利于光斑扫描向的能量分布的调整。图4为本发明实施例中经激光整形后的另一种激光光斑的形貌示意图，如图4所示，C3为该光斑的形貌图，A3为光斑步进向的能量分布曲线，B3为光斑扫描向的能量分布曲线，通过激光整形单元200将激光发射单元100发射的激光整形为矩形光斑，扫描向(Y向)长度为0.4mm，步进向(X向)长度为3.6mm，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形，长方形的光斑增大了单次扫描时扫过的面积，有利于提高退火效率。相对于现有技术中扫描向呈高斯分布的光斑，扫描向能量呈梯形分布提高了光斑扫描向的能量分布均匀性，进而提高了退火均匀性。
在本发明实施例中，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形，而不是严格的90°平顶高斯Top-Flat分布，这是因为扫描向的宽度较窄，光斑扫描向的能量难以实现呈严格的90°平顶高斯Top-Flat分布；此外，照射到SiC基底表面的光斑实际上是由多个脉冲激光光斑重叠形成，通过控制一定的拼接精度(重叠率)，多个脉冲激光光斑拼接形成最终的退火激光光斑，扫描向能量呈梯形分布相对于呈严格的90°平顶高斯Top-Flat分布来说，降低了光斑的拼接精度要求，有利于提高退火效率。
此外，现有技术中，通常采用蛇形扫描工件承载台实现激光光斑对SiC基底表面的扫描，工件台进行水平向X、Y方向移动。由于SiC材料价格昂贵，SiC基底最大尺寸为150mm，国内客户更多为100mm产线，因此需要设备尺寸小型化。传统的退火设备由于需要兼容200-300mm尺寸基底的退火需求，蛇形扫描工件承载台的运动行程占用设备空间较大，难以实现退火设备的小型化。本发明实施例中，激光光斑对SiC基底表面的扫描通过扫描振镜单元实现，工件承载单元无需运动，能够简化工件承载台，实现退火设备的小型化。此外，扫描振镜的可控性高，扫描速度快，能够提高退火质量和退火效率。
本发明实施例提供的SiC基底的激光退火装置，通过激光整形单元，将来自激光发射单元的激光光束整形为矩形光斑，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形，提供了光斑能量分布均匀性，进而提高了退火均匀性。此外，通过扫描振镜单元实现激光光斑对SiC基底表面的扫描，工件承载单元无需运动，能够简化工件承载台，实现退火设备的小型化，同时提高退火质量和退火效率。
继续参考图3和图4，可选的，光斑扫描向的能量分布呈梯形，梯形的上底边大于或等于下底边的一半，矩形光斑的步进向的能量分布呈高斯平顶。
可选的，矩形光斑的扫描向的能量分布呈等腰梯形分布，等腰梯形的底角为45±2°。45°角设计可以获得更小的光斑间差异性，这会进一步降低光斑拼接(重叠率)精度要求。激光整形单元200通常包括衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements，DOE)，DOE整形效果与所选激光器的模态M2因子有关，DOE设计一经确认就不可更改的属性，这就需要单一而简单的设计，45度梯形光斑设计可以获得具有性价比的光斑质量，可适用于多种类型基底的退火。同时，选择45度梯形，相当于光强的角度调制，相比90度平顶高斯Top-Flat分布，更接近高斯分布光斑的退火效果，有利于激光器整个寿命周期内的光斑均匀性管理。
可选的，预设扫描方式为环形扫描方式，自SiC基底的边缘到中心，或者，自SiC基底的中心到边缘。SiC基底通常为圆形基底，单次扫描形成与SiC基底圆心同心的圆环，自SiC基底的边缘向中心步进，或自SiC基底的中心向边缘步进，完成基底表面退火区域的扫描退火。环形扫描方式，有利于减少高温退火引起的退火应力，避免退火冷却后，SiC基底因退火应力导致出现宏观形变或表面出现裂纹的问题。需要说明的是，在本发明另一实施例中，预设扫描方式也可以是蛇形扫描方式。
可选的，如图2所示，激光发射单元100包括激光器101、起偏器102、激光控制器103、分光镜104和激光能量采集器105，其中，激光器101、起偏器102和分光镜104沿激光光路传播方向依次布置。激光控制器103用于接收主控制器500的控制指令，控制激光器101发出预设功率和波长的激光光束；起偏器102用于将来自激光器101的激光光束转变为两个偏振方向不同的偏振激光光束；分光镜104位于激光器101的出射光路上，激光光束中第一方向的偏振激光光束透过分光镜104出射，第二方向的偏振激光光束经分光镜104反射后，耦合至激光能量采集器105；激光能量采集器105用于采集第二方向的偏振激光光束的能量信息，计算出激光器101发出的激光光束的功率，并反馈给激光控制器103，当检测到激光器101发出的激光光束的功率与预设功率的偏差超过预设的阈值时，激光控制器103控制激光器101对出射激光的功率进行修正。如此，对激光器101发出的激光光束的功率实现精准控制，提高退火质量。
可选的，激光发射单元100还包括温度控制及保护器106，温度控制及保护器106用于实时采集激光器101内部的温度信息，并反馈给激光控制器103。激光器101在工作过程中，由于激光能量较高，激光器101内部可以达到较高的温度，为防止激光器101内部电路在高温下发生故障，设置温度控制及保护器106，实时采集激光器101内部的温度信息，并反馈给激光控制器103，当激光器内部温度达到预设安全温度极限值时，激光控制器103控制激光器101停止工作，防止激光器101内部电路烧坏。
可选的，激光整形单元200包括沿光束传播方向依次布置的准直器201、扩束器202和衍射光学元件203。准直器201用于将来自激光发射单元100的发散的激光光束准直为平行的激光光束；扩束器202用于扩大平行输入光束的直径；衍射光学元件203与主控制器500电连接，用于将来自扩束器202的激光光束整形为矩形光斑，矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形。可选的，矩形光斑的扫描向的能量分布呈等腰梯形分布，等腰梯形的底角为45±2°。
可选的，扫描振镜单元300包括沿光束传播方向依次布置的扫描振镜301和与扫描振镜配合的聚焦透镜302，聚焦透镜302可以是平场聚焦透镜，扫描振镜与主控制器500电连接，包括X轴扫描振镜3011和Y轴扫描振镜3012，X轴扫描振镜3011和Y轴扫描振镜3012相互正交，通过控制各自的振动幅度和速度，可控制激光光束在SiC基底表面按预设方式扫描，平场聚焦透镜302将激光光束投影到SiC基底表面。
可选的，聚焦透镜为远心镜。经过DOE整形的激光光束，通过扫描振镜系统到达退火基底表面仍然存在光强的不均匀性，这主要是因为采用平场聚焦透镜时，退火中心和边缘的发散角度不同而引起的光程差，图5为光强与退火半径的关系曲线图，如图5所示，随着退火半径的增大(即发散角度越大)，光斑强度减少。可以通过余弦曲线进行光强补正，进一步提高退火均匀性，满足SiC退火均匀性。具体的，通过特殊设计的远心镜，利用余弦补正原理(计算结构光输出值与发散角度关系，对视场中心与边缘退火位置的光程差进行补正)，使系统的入瞳在远心镜的前焦点位置，以使聚焦光束的主光线在任何视角的情况下都垂直于焦平面，起到补偿视场中心与边缘光强差的作用。
可选的，激光器为355nm固体激光器。相比传统Si基衬底，SiC基底退火要求更高的熔融温度，N型大于1200℃，P型大于1600℃，能量密度对应1.5-3J/cm2，退火深度在100nm以内，激光器波长选择355nm，相比于传统的527nm波长的激光器，能量利用率更为集中。此外，355nm波长激光器的模态M2因子小于1.2，接近于1，非常适合矩形光束DOE整形。在本发明实施例中，激光光斑的能量密度为3J/cm2，有效光斑均匀性≤5％。
可选的，该激光退火装置还包括快门单元600，快门单元600与主控制器500电连接，位于准直器201和扩束器202之间，用于控制激光光束的单次扫描时间。在本发明实施例中，以环形扫描方式为例，在单次扫描时间内，主控制器500控制快门单元600保持打开，激光光束在扫描振镜单元300的控制下，在SiC基底表面形成一扫描圆环，接着，主控制器500控制快门单元600关闭，扫描振镜单元300控制光斑向基底中心或边缘步进，然后主控制器500控制快门单元600打开，进行下一相邻扫描圆环的扫描。
需要说明的是，该退火装置中，还可以设置在光路传播路径中的反光镜701和702，反光镜主要用于激光传播路径的调整，其反射率大于98％，根据激光传播路线改变的需要，可设置多个，以及设置于激光传播路径上的任意位置。
在上述实施例中，为了提高退火效率，扫描振镜单元300中，振镜数量可以为多个，对应多片基底同时退火需求。该退火装置还包括外部参数输入控制器800，用于输入包括外部环境参数，通过监控外部环境参数，如温度、湿度等，电气等相关参数，保证整机工作在安全可靠的状态。
典型SiC基底激光退火工艺流程如下：
选取直径为150mm的4H-SiC衬底片；用标准RCA清洗工艺清洁样品表面，再用氢氟酸缓冲液去除样品表面的自然氧化层；通过测控建设工艺淀积50nm的金属Ni；之后再通过光刻和干法刻蚀的方法，将圆型传输线模型(CircularTransmission Line Model)结果转移到金属层；最后利用激光退火装置，如图2所示，通过激光光束照射Ni/SiC表面使其形成欧姆接触，所用退火过程需要在N2氛围中退火；其中激光光斑形貌为矩形，矩形光斑的扫描向的能量分布呈等腰梯形分布，等腰梯形的底角为45±2°，步进向能量分布呈高斯平顶，激光波长为355nm，激光光斑的能量密度为3J/cm2，有效光斑均匀性≤5％；最后，对退火后的基底进行检查，检查项包括表面外观、表面粗糙度测试(要求小于退火深度，如100nm)和圆型传输线模型CTLM退火电阻测试(要求小于电阻如10-5Ω·cm2)。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”等的描述意指结合该实施例的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚器件，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种SiC基底的激光退火装置，其特征在于，包括：
激光发射单元，用于提供退火所需的激光光源；
激光整形单元，用于将激光发射单元发射的激光整形为矩形光斑，所述矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形；
扫描振镜单元，用于控制来自所述激光整形单元的激光光束，使其在待退火的SiC基底表面按预设扫描方式扫描；
工件承载单元，用于承载待退火的SiC基底；
主控制器，分别与所述激光发射单元、激光整形单元、扫描振镜单元和工件承载单元电连接。
2.根据权利要求1所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述矩形光斑的步进向的能量分布呈高斯平顶。
3.根据权利要求1所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述梯形的上底边大于或等于下底边的一半。
4.根据权利要求1所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述矩形光斑的扫描向的能量分布呈等腰梯形分布，所述等腰梯形的底角为45±2°。
5.根据权利要求1所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述预设扫描方式为环形扫描方式，自所述SiC基底的边缘到中心，或者，自所述SiC基底的中心到边缘。
6.根据权利要求1所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述激光发射单元包括激光器、起偏器、激光控制器、分光镜和激光能量采集器；
所述激光控制器用于接收所述主控制器的控制指令，控制所述激光器发出预设功率和波长的激光光束；
所述起偏器用于将来自所述激光器的激光光束转变为两个偏振方向的偏振激光光束；
所述分光镜位于所述激光器的出射光路上，所述激光光束中第一方向的偏振激光光束透过所述分光镜出射，第二方向的偏振激光光束经所述分光镜反射后，耦合至激光能量采集器；
所述激光能量采集器用于采集第二方向的偏振激光光束的能量信息，并反馈给所述激光控制器。
7.根据权利要求6所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述激光发射单元还包括温度控制及保护器，所述温度控制及保护器用于实时采集所述激光器内部的温度信息，并反馈给所述激光控制器。
8.根据权利要求1所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述激光整形单元包括沿光束传播方向依次布置的准直器、扩束器和衍射光学元件；
所述准直器用于将来自激光发射单元的发散的激光光束准直为平行的激光光束；
所述扩束器用于扩大平行输入光束的直径；
所述衍射光学元件与所述主控制器电连接，用于将来自扩束器的激光光束整形为矩形光斑，所述矩形光斑的扫描向的能量分布呈梯形。
9.根据权利要求1所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述扫描振镜单元包括沿光束传播方向依次布置的扫描振镜和与所述扫描振镜配合的聚焦透镜，所述扫描振镜与所述主控制器电连接，包括X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜。
10.根据权利要求9所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述聚焦透镜为远心镜。
11.根据权利要求6所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，所述激光器为355nm固体激光器。
12.根据权利要求8所述的SiC基底的激光退火装置，其特征在于，还包括快门单元，所述快门单元与所述主控制器电连接，位于所述准直器和扩束器之间，用于控制激光光束的单次扫描时间。
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