CN111952159A - 一种激光退火装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光退火装置，包括保持晶圆的载物台、单个发射激光光束的激光器；还设置有将激光器发射出的激光光束分束为至少两束光束的分束及整形系统。还设置有与至少两束光束一一对应的至少两个菲涅尔透镜，每个菲涅尔透镜具有至少两组不同焦距的透镜区域，以将对应的光束聚焦出至少两个互不重合的焦点。还设置有将至少两束光束合在一起并聚焦在晶圆的至少两个不同设定深度层的合束系统，至少两个互不重合的焦点中的每个焦点位于该焦点对应设定深度层上。通过设置每个菲涅尔透镜具有至少两组不同焦距的透镜区域，将至少两束光束合在一起并聚焦到晶圆的至少两个不同的设定深度层，以对晶圆的至少两个不同的设定深度层进行同时退火。

Description

一种激光退火装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种激光退火装置。

背景技术

随着科学技术的进步和发展，激光已经作为一种工具应用在各行各业。由于激光的高亮度高强度的特性，且激光光斑的尺寸可以通过聚焦镜聚焦到微米量级，因此激光加工技术在有着高精度加工要求的行业中备受青睐，尤其是对于半导体行业晶圆制造的技术中，激光加工技术尤为受欢迎。

最初，对晶圆的退火处理时在包含许多晶圆(其支撑在支架中)的炉中进行。将电能供应到炉壁中的电阻加热器元件，以将它们加热到接近期望处理温度的温度。晶圆最终达到与炉壁基本相等的温度。在升高的温度下进行了期望时间长度的退火之后，不再将电能供应到电阻加热器，使得壁逐渐冷却，晶圆也逐渐冷却。尽管需求热处理时间可能相对较短，但是加热速率和冷却速率两者都相对较慢，在大约上15℃/min的量级。这些升高温度过程中的较长时间显著地增大了退火所需的热预算。在先进集成电路中的精细特征和薄层需要减小热预算。

发明内容

本发明提供了一种激光退火装置，用以对晶圆上的不同深度层同时进行退火。

本发明提供了一种激光退火装置，该激光退火装置包括保持晶圆的载物台、以及单个发射激光光束的激光器；还设置有将激光器发射出的激光光束分束为至少两束光束的分束及整形系统，其中，至少两束光束中的一束光束为退火光束，其他光束为预热光束；且该分束及整形系统还调整退火光束的能量大于预热光束的能量。还设置有与至少两束光束一一对应的至少两个菲涅尔透镜，每个菲涅尔透镜具有至少两组不同焦距的透镜区域，以将对应的光束聚焦出至少两个互不重合的焦点。还设置有将至少两束光束合在一起并聚焦在晶圆的至少两个不同设定深度层的合束系统，其中，至少两个不同设定深度层与至少两个互不重合的焦点一一对应，且至少两个互不重合的焦点中的每个焦点位于该焦点对应设定深度层上。

在上述的方案中，通过采用单个激光器，通过分束及整形系统将单个激光器发射出的激光光束分束为一束退火光束及至少一束预热光束；并设置至少两个菲涅尔透镜，且每个菲涅尔透镜具有至少两组不同焦距的透镜区域，通过合束系统将至少两束光束合在一起并聚焦到晶圆的至少两个不同的设定深度层，以对晶圆的至少两个不同的设定深度层进行同时退火，从而提高对晶圆退火的效率。与现有技术中的炉火退火的方式相比，本发明的方案无需将整个晶圆都加热到退火温度，从而能够实现对晶圆的某几个设定深度层进行退火，而其他的深度层不受影响或影响较小。采用单个激光器即可完成对晶圆的退火，从而减少激光器的个数，节省成本。且采用同时对晶圆的至少两个不同设定深度层进行退火，从而提高对晶圆退火的效率。

在一个具体的实施方式中，每个菲涅尔透镜具有使该菲涅尔透镜对应的光束射入的入射面、以及与入射面相对的出射面，其中，出射面上设置有圆形弧面、以及环绕圆形弧面且呈同心圆分布的多个环形齿纹，以简化菲涅尔透镜的设置。

在一个具体的实施方式中，在至少两个菲涅尔透镜中的任意一个菲涅尔透镜中，该菲涅尔透镜上的每组透镜区域包括圆形弧面或\和至少一个环形齿纹，以便于设置每个菲涅尔透镜区域。

在一个具体的实施方式中，在至少两个菲涅尔透镜中的任意一个菲涅尔透镜中，该菲涅尔透镜上的至少两组不同焦距的透镜区域由该菲涅尔透镜的中心向外依次排布，以使同一透镜区域的环形齿纹分布在一起，从而便于在菲涅尔透镜上设置出不同焦距的透镜区域。

在一个具体的实施方式中，在至少两个菲涅尔透镜中的任意一个菲涅尔透镜中，该菲涅尔透镜上的至少两组透镜区域的焦距由该菲涅尔透镜的中心向外依次增大，从而改善光束从菲涅尔透镜穿过时的光的干涉影响。

在一个具体的实施方式中，至少两个菲涅尔透镜中的每个菲涅尔透镜上的透镜区域的组数相同。在任意两个菲涅尔透镜之间，其中一个菲涅尔透镜上的至少两组透镜区域与另一个菲涅尔透镜上的至少两组透镜区域一一对应；且其中一个菲涅尔透镜上的一组透镜区域的焦距与另一个菲涅尔透镜上与该组透镜区域对应的透镜区域的焦距相等。以将至少两束光束分别穿过对应的菲涅尔透镜及合束系统后，使晶圆的每个设定深度层上都有至少两束光束中的所有光束聚焦的焦点。

在一个具体的实施方式中，该激光退火装置还包括用于将合在一起的光束在晶圆上进行移动的振镜系统，以便于使焦点在设定深度层进行移动，从而对晶圆设定深度层的多个位置进行退火。

在一个具体的实施方式中，载物台滑动装配在导轨组件上，且载物台能够在导轨组件上沿与晶圆表面平行的平面内滑动；还设置有驱动载物台在导轨组件上滑动的驱动装置，以便于使晶圆与激光光束的聚焦点之间相互运动，以对晶圆的设定深度层的其他位置进行退火。

在一个具体的实施方式中，在激光器与分束及整形系统之间设置有一个调整激光光束的波长的倍频模块；或在分束及整形系统与至少两个菲涅尔透镜之间设置有与至少两束光束一一对应的至少两个倍频模块，每个倍频模块将该倍频模块对应的光束的波长调整为设定值的波长。以便于调整激光光束或分束后的光束的波长，从而改变聚焦在晶圆的设定深度层的深度，以对晶圆的其他深度层进行退火。

在一个具体的实施方式中，分束及整形系统包括衍射光学元件或微阵列透镜，衍射光学元件或微阵列透镜将激光光束分束为至少两束光束且调整退火光束能量大于预热光束能量。通过采用衍射光学元件或微阵列透镜作为分束及整形系统，以简化分束及整形系统的设置。

在一个具体的实施方式中，分束及整形系统包括：将激光光束分束为至少两束光束的分束镜组件、以及与至少两束光束一一对应的至少两个整形模块，其中，激光光束经分束镜组件分束出的退火光束的能量大于预热光束的能量，每个整形模块用于调整对应光束的光斑大小。通过采用分束镜组件及整形模组作为分束及整形系统，以便于通过调整分束镜组件中的分束镜个数及位置，设置不同的分束模式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光退火装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种菲涅尔透镜的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光束穿过菲涅尔透镜及合束系统后聚焦在晶圆的不同设定深度层的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种分束镜组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的转盘上的分束镜分布的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的采用一个分束镜分束时的结构示意图。

附图标记：

10-载物台 11-晶圆 12-加工腔

20-激光器 30-分束及整形系统 40-倍频模块

50-振镜系统 60-合束系统

71-转盘 72-分束镜 73-整形模块

80-菲涅尔透镜 81-圆形弧面 82-环形齿纹

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

为了方便理解本发明实施例提供的激光退火装置，下面首先说明一下本发明实施例提供的激光退火装置的应用场景，该激光退火装置用于对半导体制造过程中的晶圆进行退火。下面结合附图对该激光退火装置进行详细的叙述。

参考图1、图2及图3，本发明实施例提供的激光退火装置包括：保持晶圆11的载物台10、以及单个发射激光光束的激光器20；还设置有将激光器20发射出的激光光束分束为至少两束光束的分束及整形系统30，其中，至少两束光束中的一束光束为退火光束，其他光束为预热光束；且该分束及整形系统30还调整退火光束的能量大于预热光束的能量。还设置有与至少两束光束一一对应的至少两个菲涅尔透镜80，每个菲涅尔透镜80具有至少两组不同焦距的透镜区域，以将对应的光束聚焦出至少两个互不重合的焦点。还设置有将至少两束光束合在一起并聚焦在晶圆11的至少两个不同设定深度层的合束系统60，其中，至少两个不同设定深度层与至少两个互不重合的焦点一一对应，且至少两个互不重合的焦点中的每个焦点位于该焦点对应设定深度层上。

在上述的方案中，通过采用单个激光器20，通过分束及整形系统30将单个激光器20发射出的激光光束分束为一束退火光束及至少一束预热光束；并设置至少两个菲涅尔透镜80，且每个菲涅尔透镜80具有至少两组不同焦距的透镜区域，通过合束系统60将至少两束光束合在一起并聚焦到晶圆11的至少两个不同的设定深度层，以对晶圆11的至少两个不同的设定深度层进行同时退火，从而提高对晶圆11退火的效率。与现有技术中的炉火退火的方式相比，本发明的方案无需将整个晶圆11都加热到退火温度，从而能够实现对晶圆11的某一深度层进行退火，而其他的深度层不受影响或影响较小。采用单个激光器20即可完成对晶圆11的退火，从而减少激光器20的个数，节省成本。且采用同时对晶圆11的至少两个不同设定深度层进行退火，从而提高对晶圆11退火的效率。下面结合附图对上述各个部件的设置方式进行详细的介绍。

参考图1，设置一载物台10，以将晶圆11保持在载物台10上。该载物台10上可以设置有吸附晶圆11的真空吸附孔，以对晶圆11进行吸附。还可以设置一机械手，用以将晶圆11放置在载物台10上或从载物台10上取下。该机械手还用于在对晶圆11的一面退火完成后，将晶圆11进行翻转，以对晶圆11的另一面进行退火。参考图1，还可以设置一加工腔12，载物台10位于加工腔12内。参考图1，加工腔12可以为一个具有中空腔体的壳体结构，载物台10可以固定在加工腔12内，也可以通过滑轨组件滑动装配在加工腔12内。当然，优选的，采用载物台10固定装配在加工腔12内的方式，此时，无需再加工腔12内设置驱动载物台10移动的滑轨组件及驱动组件，减少加工腔12内的结构，在应用时，从而能够将加工腔12的容积做的足够小，缩短加工腔12内的气体置换时间。参考图1，可以将激光器组件30设置在加工腔12的上方，在加工腔12的上方设置有一窗口，激光器20、分束及整形系统30、菲涅尔透镜80及合束系统60发射出的激光光束通过该窗口入射到晶圆11上。窗口的设置方式可以采用光学窗口镜片的方式，具体的，在加工腔12的上方开设一开口，在开口处密封安装一光学窗口镜片，使激光器组件30发射出的激光光束能够入射到加工腔12内。可以使窗口与保持在载物台10上的晶圆11位置相对，且窗口的尺寸大于晶圆11的尺寸，此时，即使载物台10固定在加工腔12内时，激光器20、分束及整形系统30、菲涅尔透镜80及合束系统60发射出的激光光束可以对晶圆11上的每一个位置进行退火。

参考图1，该激光退火装置还具有一个发射激光光束的激光器20，设置时，该激光器20可以位于载物台10的上方，其能够发射出一激光光束，经分束及整形系统30、菲涅尔透镜80、合束系统60后聚焦在晶圆11的不同的设定深度层。通过采用单个激光器20即可完成对晶圆11的退火，从而减少激光器20的个数，节省成本。其中，该晶圆11具有相对的正面及背面，其中，晶圆11的正面具有掺杂层、晶体管、金属层、电容器等镀层结构。在对晶圆11的正面进行退火时，以消除晶圆11中晶格缺陷和内应力，以恢复晶格的完整性；使植入的掺杂原子扩散到替代位置，产生电特性，这称为晶圆11激活退火。在晶圆11的背面镀有金属结构，通过对晶圆11背面所镀的金属结构进行退火，以实现电阻值降低，提高一致性。

参考图1，在与激光器20的发射端口相对的位置还设置有分束及整形系统30，该分束及整形系统30用于将激光器20发射出的激光光束分束为至少两束光束，其中，至少两束光束中的一束光束为退火光束，其他光束为预热光束；且该分束及整形系统30还调整退火光束的能量大于预热光束的能量。其中，上述至少两束光束的束数可以为两束、三束、四束等不少于两束的任意值。

在具体设置上述的分束及整形系统30时，可以采用衍射光学元件，该衍射光学元件能够将激光器20的发射端口发射出的激光光束分束为至少两束光束，且该衍射光学元件还能够调整退火光束能量大于预热光束能量。另外，还可以通过衍射光学元件调整不同光束的光斑大小，以满足相关退火深度及退火结构的要求。通过采用衍射光学元件作为分束及整形系统30，以简化分束及整形系统30的设置。应当理解的是，分束及整形系统30的设置方式并不限于上述示出的采用衍射光学元件的方式，除此之外还可以采用其他的方式。例如，还可以采用微阵列透镜替代上述的衍射光学元件，即通过微阵列透镜将激光器20的发射端口发射出的激光光束分束为至少两束光束，同时调整退火光束能量大于预热光束能量，还可以调整不同光束的光斑大小。

另外，参考图4、图5及图6，该分束及整形系统30还可以包括：将激光光束分束为至少两束光束的分束镜组件、以及与至少两束光束一一对应的至少两个整形模块73，其中，激光光束经分束镜组件分束出的退火光束的能量大于预热光束的能量，每个整形模块73用于调整对应光束的光斑大小。通过采用分束镜组件及整形模组作为分束及整形系统30，以便于通过调整分束镜组件中的分束镜个数及位置，设置不同的分束模式。在具体设置分束镜组件时，参考图4及图5，该分束镜组件可以包括位于激光器20与菲涅尔透镜80之间的转盘71、以及设置在转盘71上且环绕转盘71中心分布的多个分束镜72，且转盘71能够旋转到激光器20发射出的激光光束照射到多个分束镜72中的一个分束镜72的位置。转盘71上的每个分束镜72均为非中性分束镜72，且多个分束镜72的透射与反射比各不相同。通过采用安装在转盘71上的分束镜72分束出一束退火光束及一束预热光束，以通过旋转转盘71，可以调整退火光束及预热光束的能量比，从而便于调整预热光斑及退火光斑的温度。

参考图1、图2及图3，本发明实施例示出的激光退火装置还设置有与至少两束光束一一对应的至少两个菲涅尔透镜80，每个菲涅尔透镜80具有至少两组不同焦距的透镜区域，以将对应的光束聚焦出至少两个互不重合的焦点。还设置有将至少两束光束合在一起并聚焦在晶圆11的至少两个不同设定深度层的合束系统60，其中，至少两个不同设定深度层与至少两个互不重合的焦点一一对应，且至少两个互不重合的焦点中的每个焦点位于该焦点对应设定深度层上。通过设置至少两个菲涅尔透镜80，且每个菲涅尔透镜80具有至少两组不同焦距的透镜区域，通过合束系统60将至少两束光束合在一起并聚焦到晶圆11的至少两个不同的设定深度层，以对晶圆11的至少两个不同的设定深度层进行同时退火，从而提高对晶圆11退火的效率。

具体的，上述的合束系统60具体为由多个反射镜组成的反射系统，其能够将至少两束光束中的每束光束合在一起后，通过一个较大的窗口射出到载物台10上的晶圆11上，并将合在一起后的光束聚焦在晶圆11的至少两个不同的设定深度层。

上述将激光光束分束为至少两束光束的束数与菲涅尔透镜80的个数相等，且每个分束后的光束穿过一个菲涅尔透镜80。每个菲涅尔透镜80上的透镜区域的组数与晶圆11上的至少两个不同设定深度层的层数相等，使穿过每个菲涅尔透镜80上的光束能够在晶圆11的至少两个不同设定深度层中的每个设定深度层都有焦点。在至少两束光束中的预热光束穿过菲涅尔透镜80时，预热光束能够聚焦出至少两个不同焦距的焦点，之后通过合束系统60将在该至少两个不同焦距的焦点聚焦在晶圆11的至少两个不同设定深度层，以同时对晶圆11上的不同设定深度层进行预热。在至少两束光束中的退火光束穿过菲涅尔透镜80时，退火光束能够聚焦出至少两个不同焦距的焦点，通过合束系统60将该至少两个不同焦距的焦点聚焦在晶圆11的至少两个不同设定深度层，以同时对晶圆11上的不同设定深度层进行退火。

可以设置至少两个菲涅尔透镜80中的任意两个菲涅尔透镜80具有的透镜区域的组数相同。在任意两个菲涅尔透镜80之间，其中一个菲涅尔透镜80上的至少两组透镜区域与另一个菲涅尔透镜80上的至少两组透镜区域一一对应；且其中一个菲涅尔透镜80上的一组透镜区域的焦距与另一个菲涅尔透镜80上与该组透镜区域对应的透镜区域的焦距相等。以将至少两束光束分别穿过对应的菲涅尔透镜80及合束系统60后，使晶圆11的每个设定深度层上都有至少两束光束中的所有光束聚焦的焦点。

例如，在一束激光分束为一束退火光束和一束预热光束时，此时菲涅尔透镜80的个数为两个，其中一个用于使退火光束穿过，另一个用于使预热光束穿过。参考图3，预火光束穿过对应的菲涅尔透镜80后可以聚焦出三个互不重合的焦点，经过合束系统60后聚焦在晶圆11的三个不同的设定深度层，以对三个不同的设定深度层上的三个不同位置进行预热，且分别聚焦在三个不同设定深度层上的预热光斑在同一条直线上分布。退火光束穿过对应的菲涅尔透镜80后可以聚焦出三个互不重合的焦点，经过合束系统60后聚焦在晶圆11的三个不同的设定深度层，以对三个不同的设定深度层上的三个不同位置进行退热，且分别聚焦在三个不同设定深度层上的退火光斑在同一条直线上分布。

在设置菲涅尔透镜80时，参考图2及图3，每个菲涅尔透镜80可以设置使该菲涅尔透镜80对应的光束射入的入射面、以及与入射面相对的出射面，其中，出射面上设置有圆形弧面81、以及环绕圆形弧面81且呈同心圆分布的多个环形齿纹82，以简化菲涅尔透镜80的设置。

在设置每个菲涅尔透镜80上的透镜区域时，在至少两个菲涅尔透镜80中的任意一个菲涅尔透镜80中，该菲涅尔透镜80上的每组透镜区域包括圆形弧面81或\和至少一个环形齿纹82，以便于设置每个菲涅尔透镜80区域。例如，该菲涅尔透镜80上的一组透镜区域可以包括一个圆形弧面81，其他组透镜区域中的每组透镜区域包括至少一个环形齿纹82；该菲涅尔透镜80上的一组透镜区域可以包括一个圆形弧面81和至少一个环形齿纹82，其他组透镜区域中的每组透镜区域包括至少一个环形齿纹82。即菲涅尔透镜80上的圆形弧面81仅属于该菲涅尔透镜80上的其中一组透镜区域，包含有圆形弧面81的一组透镜区域可以没有环形齿纹82，也可以有环形齿纹82；但其他组不包含圆形弧面81的透镜区域至少包括一个环形齿纹82。

在至少两个菲涅尔透镜80中的任意一个菲涅尔透镜80中，可以设置该菲涅尔透镜80上的至少两组不同焦距的透镜区域由该菲涅尔透镜80的中心向外依次排布，以使同一透镜区域的环形齿纹82分布在一起，从而便于在菲涅尔透镜80上设置出不同焦距的透镜区域。应当理解的是，菲涅尔透镜80上的至少两组不同焦距的透镜区域的排布并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，在其中一组透镜区域包含两个环形齿纹82时，可以在该两个环形齿纹82之间插入其他组透镜区域的环形齿纹82，以将一组透镜区域中的环形齿纹82采用非相邻的间隔设置方式。

参考图3，在至少两个菲涅尔透镜80中的任意一个菲涅尔透镜80中，该菲涅尔透镜80上的至少两组透镜区域的焦距可以由该菲涅尔透镜80的中心向外依次增大，使从菲涅尔透镜80靠近中间位置穿过的光束能够通过合束系统60聚焦在晶圆11上深度较浅的层，从菲涅尔透镜80远离中间位置穿过的光束能够通过合束系统60聚焦在晶圆11上深度较深的层，从而改善光束从菲涅尔透镜80穿过时的光的干涉影响。即在每个菲涅透镜上相邻的两组透镜区域之间，靠近该菲涅尔透镜80中心的透镜区域的焦距小于远离该菲涅尔透镜80中心的透镜区域的焦距。应当理解的时，该菲涅尔透镜80上的至少两组透镜区域的焦距的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，该菲涅尔透镜80上的至少两组透镜区域的焦距可以由该菲涅尔透镜80的中心向外依次减小。

参考图1，还可以设置用于将合在一起的光束在晶圆11上进行移动的振镜系统50，以便于使焦点在设定深度层进行移动，从而对晶圆11设定深度层的多个位置进行退火。可以设置上述的振镜系统50为三维振镜系统50，以通过三维振镜系统50在三个相互垂直的方向上调整至少两束光束，以实现对晶圆11不同深度层进行退火。应当理解的是，除了上述示出的使晶圆11与光束相对运动的方式外，还可以采用其他的方式。例如，可以使载物台10滑动装配在导轨组件上，且载物台10能够在导轨组件上沿与晶圆11表面平行的平面内滑动；还可以设置有驱动载物台10在导轨组件上滑动的驱动装置，该驱动装置可以为驱动电机，以便于使晶圆11与激光光束的聚焦点之间相互运动，以对晶圆11的设定深度层的其他位置进行退火。

参考图1，在激光器20与分束及整形系统30之间设置有一个调整激光光束的波长的倍频模块40，通过设置倍频模块40，能够通过改变激光光束的波长，以对晶圆11的表面或晶圆11的内部深度进行退火。具体的，可以利用晶圆11可通过波长为1000nm以上的光束特点，采用1000nm以上波长的光束对晶圆11内部的设定深度层进行退火处理。也可以将预热光束及退火光束中穿过对应的菲涅尔透镜80后的其中一个焦点聚焦在晶圆11的表面，此时，通过倍频模块40将激光光束倍频，使激光光束的波长小于1000um，从而实现对晶圆11表面的退火加工。应当注意的是，设置倍频模块40的方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，还可以在分束及整形系统30与至少两个菲涅尔透镜80之间设置有与至少两束光束一一对应的至少两个倍频模块40，每个倍频模块40将该倍频模块40对应的光束的波长调整为设定值的波长。以便于调整激光光束或分束后的光束的波长，从而改变聚焦在晶圆11的设定深度层的深度，以对晶圆11的其他深度层进行退火。

参考图1，还可以设置在加工腔12外且位于加工腔12上方的位置设置一测量仪组件，该测量仪组件与加工腔12上方的窗口位置。测量仪组件透过窗口对晶圆11上背离载物台10的表面或激光的光束进行测量分析。在加工腔12外与窗口相对的位置设置测量仪组件，且测量仪组件能够透过窗口对晶圆11上背离载物台10的表面或激光的光束进行测量分析。与现有技术中将用于测量晶圆11或激光光束的参数的测量仪设置在加工腔12内相对，本发明的方案将测量仪组件设置在加工腔12外，无需设置驱动载物台10移动的滑轨组件及驱动组件，减少加工腔12内的结构，从而能够将加工腔12的容积做的足够小。由于在晶圆11为晶圆时，每次晶圆的进出都会破坏加工腔12内的气氛环境，需要重新进行气体置换。在加工腔12内的腔体容积越小，气体的置换时间越短，采用本发明的方案，能够减小加工腔12的容积，缩短加工腔12内的气体置换时间，提高激光加工的效率。

在设置测量仪组件时，在测量仪组件需要对晶圆11的上表面进行测量分析时，测量仪组件可以包括测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计中的一个或多个，以对晶圆11上背离载物台10的表面进行相关参数的测量分析。具体的，测量仪组件可以包括测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计中的任意一个；测量仪组件也可以包括测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计中的任意两个或两个以上。不同的激光工艺采用不同的测量仪，在激光退火工艺中，其中的测高仪、图像识别系统和红外辐射分析仪是共用设备，无论晶圆表面退火还是背面退火都会使用。其中的电阻测量仪可以只用在背面晶圆合金化(欧姆接触退火)。

在测量仪组件需要对激光光束进行测量分析时，测量仪组件还包括对从窗口射入加工腔12内的激光光束进行测量分析的红外辐射分析仪，以在激光光束对晶圆11进行加工时，对激光光束进行测量分析，从而实现对激光光束的“在线”检测分析。

另外，还可以在加工腔12外且与窗口相对的位置设置有能够在至少一个维度运动的运动平台，且测量仪组件设置在运动平台上，以便于将测量仪组件移动到适合检测激光光束或晶圆11的位置，且防止第二测量仪组件41干涉激光光束对晶圆11进行加工。

在运动平台上设置的测量仪组件既可以包含对晶圆11的上表面进行测量分析的测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计等，也可以包含对激光的光束进行测量分析的红外辐射分析仪。在应用时，其中的测高仪和图像识别系统是在退火加工前，运动到晶圆上方，进行测高和定位识别工作。退火过程中，运动平台在不影响激光光束传输的情况下，红外辐射分析仪实时监测退火区域的红外辐射，闭环控制激光退火的能量变化。

在运动平台上设置的测量仪组件包括测高仪时，该测高仪测量晶圆11的上表面上不同位置距离测高仪设定的参考面之间的高度差变化。此时，可以在提供激光光束的激光光源中设置三轴振镜系统，该三轴振镜系统移动激光光源发射出的激光光束，以调整激光光束聚焦在晶圆11上的焦点位置。可以设置一控制装置，控制装置根据测高仪测得的高度差变化，控制三轴振镜系统将焦点保持在晶圆11上距离晶圆11的上表面为设定深度的层结构上。通过设置测高仪、三轴振镜系统及控制装置，使测高仪在退火前及退火过程中，时刻测量晶圆11的上表面不同位置距离参考面之间的高度差变化，控制装置通过控制三轴振镜系统，以使激光光源发射出的激光光束始终聚焦在晶圆11上距离上表面为设定深度的层结构上。使激光光束的焦点位置能够根据晶圆11上表面的凸凹波动进行上下调整，防止由于晶圆11表面的凸凹波动，从而使激光光束的焦点位置在晶圆11的不同深度层上下波动，从而提高对晶圆11进行退火的位置准确性，提高退火效果。

在晶圆11的上表面具有待退火区域，激光退火装置可以对待退火区域的表面进行退火，此时，设定深度为零；也可以对待退火区域内的某一深度进行退火，此时，可以根据设定深度的大小调整对待退火区域的某一深度的层结构进行退火。

在待退火区域上具有三个不再同一条直线上的三个设定点，测高仪设置的参考面为与三个设定点所在的平面平行的平面。在应用时，在退火前，测高仪先拾取晶圆11上表面的待退火区域上的三个设定点的高程，以确定参考面，之后在退火过程中，根据待退火区域上的不同位置距离参考面的高度差变化，调整激光光束的焦点位置，以便于焦点保持在距离上表面为设定深度的层结构上，同时便于确定参考面。其中，载物台10上用于放置晶圆11的接触面为基准面。

例如，在退火前，测高仪拾取晶圆11上表面的待退火区域上的三个不再同一条直线上的三个设定点。之后，测高仪测量每个设定点距离晶圆11的上方与载物台10的基准面平行的平面的高程，通过移动测高仪到每个设定点在竖直方向的上方，以测量每个设定点的高程。测高仪根据三个设定点的位置坐标信息及每个设定点的高程信息能够设置出一个参考面，该参考面与三个设定点所在的平面平行。具体的，该参考面可以与三个设定点所在的平面的距离为H。该参考面有可能与载物台10上的基准面平行，此时，三个设定点所在的平面与载物台10上的基准面平行。该参考面还有可能与载物台10上的基准面不平行，此时，三个设定点所在的平面与载物台10上的基准面不平行。

在退火过程中，测高仪首先测量待退火区域上的某一退火点距离参考面的高度，所测的某一退火点距离参考面的高度指的是该退火点距离该参考面在竖直方向(或z轴方向)上的距离。应当注意的是，该退火点距离参考面的高度，与该退火点距离该参考面的垂直距离可能相等，也可能不相等。在参考面与载物台10上的基准面平行时，则退火点距离参考面的高度等于该退火点距离该参考面的垂直距离；在参考面与载物台10上的基准面不平行时，则退火点距离参考面的高度不等于该退火点距离该参考面的垂直距离。

在测高仪测得待退火区域的某一退火点距离参考面的高度后，测高仪将该信息传输给控制装置。控制装置比较测得的高度值与H的大小，以发出不同的对三轴振镜系统进行调整的命令，使激光光束的焦点保持在距离晶圆11的上表面为设定深度的层结构上。具体的，在对上述待退火区域的退火点进行退火时，激光光束的焦点位于距离该退火点为设定深度的层结构上。即上述的退火点仅仅是指晶圆11的上表面上待退火区域的一点，即该退火点位于晶圆11的表面。而对该退火点进行退火指的是，对该退火点竖直方向的正下方某一设定深度的层结构上的一点进行退火。

在设置控制装置时，控制装置可以为上位机、工控机等的终端设备，控制装置可以通过有线、无线等通信方式分别与测高仪及三轴振镜系统连接，以便于控制装置分别与测高仪及三轴振镜系统进行信息交互。

在设置三轴振镜系统时，三轴振镜系统在x轴、y轴及z轴三个相互垂直的方向上调整激光光束聚焦在晶圆11上的焦点位置，其中，x轴、y轴及z轴的设置方式与上述的空间直角坐标系为同一坐标系，或者是三个轴分别对应平行的设置方式，以便于对三轴振镜系统进行调整。

在控制装置控制三轴振镜系统调整时，控制装置可以根据测高仪测得的高度差变化，控制三轴振镜系统的z轴移动聚焦在激光光束聚焦在晶圆11上的焦点，以使焦点保持在位于距离上表面为设定深度的层结构上，仅仅通过调整三轴振镜系统的z轴，即可实现焦点位置保持在距离晶圆11的上表面为设定深度的层结构上。

还可以在加工腔12上方的运动平台上设置用于拾取晶圆11的上表面的图像的CCD相机，以便于实时观察退火情况。且通过将CCD相机设置在加工腔12外，以减少加工腔12内的结构，便于缩小加工腔12内的空间，减少置换加工腔12内气体的时间，提高退火效率。

另外，参考图1，可以在载物台10上设置有通光孔，加工腔12的下方还设置有下窗口；且加工腔12上方的窗口、通光孔及下窗口至少部分位置相对，以使激光光束能够从加工腔12上方的窗口入射到加工腔12内，之后穿过通光孔并通过下窗口射出加工腔12。还包括在加工腔12外设置与下窗口相对的测量仪组件，测量仪组件对从下窗口射出加工腔12的光束进行测量分析。通过将载物台10固定在加工腔12内，在载物台10上设置通光孔，且通光孔与加工腔12上的加工腔12上方的窗口及下窗口至少部分位置相对，还在加工腔12外与下窗口相对的位置设定测量仪组件。在载物台10上放置晶圆11前，激光的光束依次穿过加工腔12上方的窗口、通光孔及下窗口后，使测量仪组件对激光的光束进行测量分析。与现有技术中的结构相比，本发明的方案无需在加工腔12内设置反射镜，也无需设置驱动载物台10移动的滑轨组件及驱动组件，减少加工腔12内的结构，从而能够将加工腔12的容积做的足够小。每次晶圆11的进出都会破坏加工腔12内的气氛环境，需要重新进行气体置换。在加工腔12内的腔体容积越小，气体的置换时间越短，采用本发明的方案，能够减小加工腔12的容积，缩短加工腔12内的气体置换时间，提高激光加工的效率。

在加工腔12上方设置有加工腔12上方的窗口，以图1为例，加工腔12上方的窗口设置在加工腔12的上方，载物台10与加工腔12上方的窗口位置相对，使从加工腔12上方的窗口入射到加工腔12内的激光光束能够照射到载物台10上的晶圆11上。在载物台10上还设置有通光孔，且通光孔与加工腔12上方的窗口至少部分位置相对，在载物台10上未放置晶圆11时，以使激光的光束能够从加工腔12上方的窗口入射到加工腔12后，入射到通光孔内。参考图1，通光孔能够使激光的光束从靠近加工腔12上方的窗口的一端射入，并从另一端射出。以图1为例，在加工腔12的下方还设置有下窗口，且下窗口与通光孔至少部分位置相对，以使从通光孔射出的激光的光束能够入射到下窗口，并从下窗口射出加工腔12。在具体设置上述的加工腔12上方的窗口及下窗口时，加工腔12上方的窗口与下窗口可以分别在加工腔12的上方及下方开设两个开口，且两个开口至少部分位置相对，且均与载物台10上的通光孔至少部分位置相对，之后在两个开口处分别安装光学窗口镜片，使激光的光束能够穿过，同时使加工腔12内为密封的腔体。

如图1所示，在加工腔12外且与下窗口相对的测量仪组件，测量仪组件对从下窗口射出加工腔12的光束进行测量分析。在应用时，在载物台10上放置晶圆11前，激光的光束依次穿过加工腔12上方的窗口、通光孔及下窗口后，从下窗口射出，测量仪组件对激光的光束进行测量分析。与现有技术中的结构相比，本发明的方案无需在加工腔12内设置反射镜，减少加工腔12内的结构，从而能够将加工腔12的容积做的足够小。由于在晶圆11为晶圆时，每次晶圆的进出都会破坏加工腔12内的气氛环境，需要重新进行气体置换。在加工腔12内的腔体容积越小，气体的置换时间越短，采用本发明的方案，能够减小加工腔12的容积，缩短加工腔12内的气体置换时间，提高激光加工的效率。

在具体设置加工腔12下方的测量仪组件时，测量仪组件可以包括光束质量分析仪和/或功率计，实现对激光光束的能量和质量的检测分析。具体的，测量仪组件可以仅有光束质量分析仪，也可以仅有功率计，还可以既有光束质量分析仪及功率计，实现了对激光光束的能量和质量的分析检测。

参考图1，还可以在加工腔12外与下窗口相对的位置设置有至少能够在一个维度运动的运动平台，该运动平台位于加工腔12的下方，位于加工腔12下方的测量仪组件设置在该运动平台上，以便于将测量仪组件移动到适合检测激光光束的位置。例如，该运动平台可以带动测量仪组件能够实现沿与激光的光束垂直的方向上下移动；运动平台还可以带动测量仪组件能够实现在与激光的光束垂直的平面内做左右及前后运动；运动平台还可以带动测量仪组件能够沿某一方向做旋转运动。即只要能够实现运动平台带动测量仪组件在至少一个维度运动方式，都在本发明的保护范围之内。在具体设定运动平台时，运动平台可以采用由一个或多个直线电机的设置方式，以实现运动平台在至少一个维度的平移运动。还可以直线电机上设置旋转机构，以实现运动平台在某一维度的旋转。还可以采用机械手的方式实现。

还可以在加工腔12下方的运动平台上设置高温计，以便于对晶圆11上朝向载物台10的表面进行温度测量，实现对晶圆11的下表面在激光激光过程中的实时监测，便于提高采用激光退火时，对晶圆11下表面温度的检测，从而能够调整相关参数，提高对激光退火质量的把控。

通过采用单个激光器20，通过分束及整形系统30将单个激光器20发射出的激光光束分束为一束退火光束及至少一束预热光束；并设置至少两个菲涅尔透镜80，且每个菲涅尔透镜80具有至少两组不同焦距的透镜区域，通过合束系统60将至少两束光束合在一起并聚焦到晶圆11的至少两个不同的设定深度层，以对晶圆11的至少两个不同的设定深度层进行同时退火，从而提高对晶圆11退火的效率。与现有技术中的炉火退火的方式相比，本发明的方案无需将整个晶圆11都加热到退火温度，从而能够实现对晶圆11的某一深度层进行退火，而其他的深度层不受影响或影响较小。采用单个激光器20即可完成对晶圆11的退火，从而减少激光器20的个数，节省成本。且采用同时对晶圆11的至少两个不同设定深度层进行退火，从而提高对晶圆11退火的效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光退火装置，其特征在于，包括：

保持晶圆的载物台；

单个发射激光光束的激光器；

将所述激光器发射出的激光光束分束为至少两束光束的分束及整形系统，其中，所述至少两束光束中的一束光束为退火光束，其他光束为预热光束；所述分束及整形系统还调整所述退火光束的能量大于所述预热光束的能量；

与所述至少两束光束一一对应的至少两个菲涅尔透镜，其中，每个菲涅尔透镜具有至少两组不同焦距的透镜区域，以将对应的光束聚焦出至少两个互不重合的焦点；

将所述至少两束光束合到一起并聚焦在所述晶圆内的至少两个不同设定深度层的合束系统，其中，所述至少两个不同设定深度层与所述至少两个互不重合的焦点一一对应，且所述至少两个互不重合的焦点中的每个焦点位于与该焦点对应的设定深度层上。

2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，每个菲涅尔透镜具有使该菲涅尔透镜对应的光束射入的入射面、以及与所述入射面相对的出射面，其中，所述出射面上设置有圆形弧面、以及环绕所述环形弧面的中心且呈同心圆排布的多个环形齿纹。

3.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，在所述至少两个菲涅尔透镜中的任意一个菲涅尔透镜中，该菲涅尔透镜上的每组透镜区域包括所述圆形弧面或\和至少一个环形齿纹。

4.如权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，在所述至少两个菲涅尔透镜中的任意一个菲涅尔透镜中，该菲涅尔透镜上的至少两组不同焦距的透镜区域由该菲涅尔透镜的中心向外依次排布。

5.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于，在所述至少两个菲涅尔透镜中的任意一个菲涅尔透镜中，该菲涅尔透镜上的至少两组透镜区域的焦距由该菲涅尔透镜的中心向外依次增大。

6.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述至少两个菲涅尔透镜中的每个菲涅尔透镜上的透镜区域的组数相同；

在任意两个菲涅尔透镜之间，其中一个菲涅尔透镜上的至少两组透镜区域与另一个菲涅尔透镜上的至少两组透镜区域一一对应；且其中一个菲涅尔透镜上的一组透镜区域的焦距与另一个菲涅尔透镜上与该组透镜区域对应的透镜区域的焦距相等。

7.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，还包括用于将所述合在一起的光束在所述晶圆上进行移动的振镜系统。

8.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，在所述激光器与所述分束及整形系统之间设置有一个调整所述激光光束的波长的倍频模块；或，

在所述分束及整形系统与所述至少两个菲涅尔透镜之间设置有与所述至少两束光束一一对应的至少两个倍频模块，每个倍频模块将该倍频模块对应的光束的波长调整为设定值的波长。

9.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述分束及整形系统包括衍射光学元件或微阵列透镜，所述衍射光学元件或微阵列透镜将所述激光光束分束为至少两束光束且调整所述退火光束能量大于所述预热光束能量。

10.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述分束及整形系统包括：

将所述激光光束分束为至少两束光束的分束镜组件，且所述激光光束经所述分束镜组件分束出的退火光束的能量大于预热光束的能量；

与所述至少两束光束一一对应的至少两个整形模组，每个整形模组用于调整对应光束的光斑大小。

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