CN113169053A - 退火装置及退火方法 - Google Patents

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Abstract

加热部对退火对象物的表面进行加热从而使表层部暂时熔融。传感器检测来自被加热部加热的退火对象物的热辐射光。处理部根据表示由传感器检测出的热辐射光的强度的经时变化的波形来推算出退火对象物的退火结果。

Description

退火装置及退火方法
技术领域
本发明涉及一种退火装置及退火方法。
背景技术
在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的制造工序中，自基板背面的1～3μm左右的深区域中形成有缓冲层。因此，需要使离子注入到深区域的掺杂剂活化。专利文献1中公开了一种激光退火装置，该激光退火装置适合注入到深区域的掺杂剂的活化退火。并且，还已知有一种使半导体晶片的表层部熔融从而使杂质活化的方法。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-74019号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
半导体晶片的深度方向上的杂质的活化率的分布依赖于活化退火时的熔融深度。想要判定退火工艺是否良好，优选知道退火时的熔融深度。本发明的目的在于提供一种能够推算出退火时的熔融深度的退火装置及退火方法。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的一观点，提供一种退火装置，其具有：
加热部，对退火对象物的表面进行加热从而使表层部暂时熔融；
传感器，检测来自被所述加热部加热的所述退火对象物的热辐射光；及
处理部，根据表示由所述传感器检测出的热辐射光的强度的经时变化的波形来推算出所述退火对象物的退火结果。
根据本发明的另一观点，提供一种退火方法，其包括如下步骤：
对退火对象物表面的一部分进行加热从而使表层部熔融，
根据表示来自所述退火对象物的被加热的部位的热辐射光的强度的经时变化的波形来推算出所述退火对象物的退火结果。
发明效果
能够从表示热辐射光的强度的经时变化的波形求出熔融时间。加热时的熔融深度依赖于熔融时间。因此，能够从熔融时间推算出熔融深度等退火结果。
附图说明
图1是基于实施例的退火装置的概略图。
图2是表示在脉冲激光束的一次照射中观测到的热辐射光的波形的一例的图表。
图3是表示熔融时间与熔融深度之间的关系的图表。
图4是基于实施例的退火方法的流程图。
图5是表示显示于输出装置的图像的一例的图。
图6A是表示实际测定出的热辐射光的强度的波形的图表，图6B是表示从图6A中所示的波形中求出的熔融时间与热辐射光的强度的波形的面积之间的关系的图表。
具体实施方式
下面，参考图1～图6，对本发明的基于实施例的退火装置及退火方法进行说明。
图1是基于实施例的退火装置的概略图。保持台13被扫描机构12而支撑于在腔室10内。扫描机构12接收来自处理部40的指令从而能够使保持台13在水平面内移动。扫描机构12包括编码器，处理部40从编码器读取表示保持台13的当前位置的位置信息。退火对象物30保持在保持台13上。保持台13包括真空卡盘机构，其通过真空吸附而固定退火对象物30。退火对象物30例如为注入有掺杂剂的硅晶片等半导体晶片。基于实施例的激光退火装置例如对掺杂剂进行活化退火。
激光光源20接收来自处理部40的指令从而输出退火用脉冲激光束。作为激光光源20，例如可以使用输出绿色波长区域的脉冲激光束的Nd：YAG激光器等固体激光器。另外，绿色波长的光相当于二次谐波。从激光光源20输出的激光束经由传输光学系统21、分光镜22及透镜23之后透过设置于腔室10的顶板上的激光透射窗11而入射于退火对象物30。分光镜22使退火用脉冲激光束透过。传输光学系统21例如包括光束均化器、透镜及反射镜等。光束均化器和透镜23对退火对象物30的表面上的光束点进行整形并且使光束分布均匀化。
通过使脉冲激光束入射于退火对象物30，退火对象物30被局部加热。从退火对象物30的被加热的部位放射出来的热辐射光透过激光透射窗11并经由透镜23后被分光镜22反射，接着经由透镜24而入射于传感器25。分光镜22反射波长约为900nm以上的波长区域的热辐射光。传感器25测定特定波长区域的热辐射光的强度。
根据普朗克定律，来自黑体的热辐射光的光谱(spectre)与黑体的温度在理论上互相关联。来自实际物体的热辐射光的光谱可以根据该物体的放射率和温度而求出。例如，来自实际物体(即，退火对象物30)的热辐射光的光谱依赖于退火对象物30的温度而发生变化。因此，由传感器25测定的波长区域的热辐射光的强度也依赖于退火对象物30的温度而发生变化。由传感器25测定的热辐射光的测定结果作为电压值而输入到处理部40。
透镜23及透镜24使退火对象物30的表面成像于传感器25的受光面上。由此，测定从相对于传感器25的受光面具有共轭关系的退火对象物30的表面区域放射出的热辐射光的强度。成为测定对象的表面区域例如设定为包含于激光束的光束点的内部。
处理部40控制扫描机构12以使保持于保持台13上的退火对象物30沿水平面内的二维方向移动。而且，处理部40根据保持台13的当前位置信息来控制激光光源20以使激光光源20输出脉冲激光束。若一边使退火对象物30移动一边输出脉冲激光束，则加热部位在退火对象物30的表面内移动。
而且，处理部40与从激光光源20输出的脉冲激光束的每次发射(shot)同步地针对脉冲激光束的每次发射从传感器25的检测结果中获取表示热辐射光的强度的经时变化的波形(以下，称为“热辐射光的强度的波形”)。所获取的热辐射光的强度的波形与退火对象物30的面内的位置建立对应关联之后存储于存储装置41。
在本实施例中，将使一个激光脉冲(第1脉冲)入射并经过了极短的延迟时间之后使下一个激光脉冲(第2脉冲)入射的处理设为一次照射，并反复进行多次照射。第2脉冲的入射在基于第1脉冲的入射而产生的发热的影响尚存的期间内进行。如此，在本说明书中，将组合两个激光脉冲而进行一次照射的退火称为“双脉冲退火”。通过采用双脉冲退火的方法，在使用难以任意调整脉冲宽度的激光振荡器的情况下，也能够获得与实质上加长了脉冲宽度的情况相等的效果。
处理部40将退火对象物30的表面内的热辐射光的强度分布信息作为图像、图表或数值而输出至输出装置42。输出装置42包括显示图像的显示部。
图2是将在脉冲激光束的一次照射中观测到的热辐射光的波形的一例与激光脉冲的时序图重叠表示的图表。横轴表示经过时间，纵轴表示传感器25的输出电压。传感器25的输出电压的经时变化可以视为退火对象物30的温度的经时变化。
通过第1脉冲LP1的入射，退火对象物30的温度会上升，并出现峰值P1。在该时刻，退火对象物30的表面温度达到熔点。由于表面温度达到熔点，因此退火对象物30的表面开始熔融。紧随峰值P1之后的大致平坦的部分B1表示通过第1脉冲LP1的入射而被输入的能量作为熔化热而被消耗的期间。输入的能量作为熔化热而被消耗导致熔融向深度方向发展。由于在该期间中也继续进行第1脉冲LP1的入射，因此温度缓慢上升。若第1脉冲LP1的入射结束，则温度开始下降，并开始固化。
此后，通过第2脉冲LP2的入射，退火对象物30的温度再次上升，并出现峰值P2。此时，退火对象物30的表面重新熔融。此后，熔融朝向深度方向发展。在第2脉冲LP2入射的期间，传感器25(图1)的输出电压上升之后开始下降。
出现峰值P2之后传感器25的输出电压上升的理由可以考虑以下两点。第一，退火对象物30的表面熔融而成为液体，因此与固体时相比，温度变得更高，辐射光的强度变得更强。第二，由传感器25检测辐射光的强度的观测对象区域中的熔融的部分的面积扩大，因此，由传感器25观测的辐射光的强度变强。根据上述两点理由，传感器25的输出电压会上升。
传感器25的输出电压下降的期间意味着：表面附近的热量传递到深区域以及基于表面的散热而表面附近的温度下降。
若第2脉冲LP2的入射结束，则温度继续下降，从深区域朝向浅区域逐渐固化。温度逐渐下降的过程中出现的峰值P3可以认为是固化进行至表面时从液相朝向固相相变而产生的发热作为暂时的温度上升而被观测到的。因此，从峰值P2至峰值P3为止的经过时间相当于基于第2脉冲LP2的入射的熔融时间。
图3是表示熔融时间与熔融深度之间的关系的一例的图表。熔融时间与熔融深度之间的关系可以通过实际进行对评价用试样进行退火的评价实验来求出。以下，对评价实验的一例进行说明。
对作为掺杂剂而离子注入了硼的硅镜片等半导体晶片照射脉冲激光束来进行退火。在基于退火而被熔融的区域中，掺杂剂在液体中扩散，因此，掺杂剂浓度在深度方向上成为大致恒定。在比熔融的区域和未熔融的区域之间的界面更深的区域中，随着变深，掺杂剂浓度会急剧下降。因此，通过测定半导体晶片的深度方向上的掺杂剂的浓度分布，能够确定熔融深度。深度方向上的掺杂剂浓度分布例如可以利用二次离子质谱法(SIMS)来测定。退火中的熔融时间可以从图2中所示的传感器的输出电压的时间波形求出。
将实际进行评价实验而求出的熔融时间与熔融深度之间的关系示于图3中。评价实验在脉冲能量密度为2.2J/cm2、1.8J/cm2及1.4J/cm2的三种条件下进行。在图3中，用圆形标记来表示实际的测定结果，并且示出了其近似曲线。随着熔融时间变长，熔融深度变深。图3中所示的熔融时间与熔融深度之间的关系预先存储于存储装置41中。
图4是基于实施例的退火方法的流程图。
在将退火对象物30保持于保持台13上之后，处理部40控制激光光源20以开始脉冲激光束的输出。而且，处理部40控制扫描机构12以开始保持于保持台13上的退火对象物30移动(步骤S1)。由此，开始脉冲激光束对退火对象物30的表面的扫描。
处理部40从传感器25中读取热辐射光的强度的测定值，并将其与脉冲激光束的入射位置建立对应关联之后作为读取的结果存储于存储装置41中(步骤S2)。直至退火对象物30的表面的整个区域被脉冲激光束扫描为止，执行步骤S2(步骤S3)。若退火对象物30表面的整个区域均被脉冲激光束扫描，则处理部40结束激光光源20的脉冲激光束的输出。而且，结束基于扫描机构12的保持台13的移动(步骤S4)。
接着，处理部40读取存储于存储装置41的热辐射光的强度的测定值，并根据热辐射光的强度的波形来推算出退火结果(步骤S5)。具体而言，根据热辐射光的强度的波形的特征性形状来计算出熔融时间。例如，检测出图2中所示的波形的峰值P2及峰值P3，并计算出从峰值P2至峰值P3为止的经过时间(即，基于第2脉冲的熔融时间)。此后，根据计算出的熔融时间以及图3中所示的熔融时间与熔融深度之间的关系来推算出退火对象物30的表面内的每个位置处的熔融深度。
在推算出退火结果之后，处理部40将推算结果输出至输出装置42(步骤S6)。例如，显示以不同颜色表示退火对象物30的表面内的熔融深度的分布的图像。
图5是表示显示于输出装置42的图像的一例的图。退火对象物30的表面根据熔融深度以不同颜色显示于显示画面上。
接着，对本实施例的优异效果进行说明。
在本实施例中，无需在退火处理之后使用其他装置来测定表面电阻或者扩展电阻即可推算出退火处理时暂时熔融的部分的熔融深度的分布。操作者可以通过查看显示于输出装置42的信息来判定退火处理是否正常。
通过向退火对象物30的表面照射参考光并且检测其反射光的强度，也能够求出熔融时间。相对于利用参考光和反射光的方法而言，在本实施例中检测通常的退火处理中从退火对象物30放射出来的热辐射光的强度，因此无需配置使参考光入射于退火对象物30的光学系统即可推算出熔融深度。
接着，对上述实施例的各种变形例进行说明。
在上述实施例中，在步骤S4中结束对退火对象物30的退火处理之后，在步骤S5中根据热辐射光的波形来推算出了退火结果。若在步骤S2中针对激光脉冲的每次入射完成热辐射光的强度的测定，则能够对激光脉冲已入射的区域进行推算出退火结果的处理。因此，可以在进行退火的期间同时执行推算已完成退火的区域的退火结果的处理。
在上述实施例中，虽然适用了双脉冲退火的方法，但是，无需一定要适用该方法。例如，也可以使一个激光脉冲入射从而完成一次照射。此时，在图2中所示的热辐射光的强度的波形中不会同时出现与熔融开始相对应的峰值P1和峰值P2两个峰值，而仅出现一个峰值。此时，只需将相当于熔融开始的一个峰值至与完全固化相对应的峰值P3为止的时间视为熔融时间即可。并且，在希望进一步延长有效的脉冲宽度的情况下，可以使三个以上的激光脉冲间隔极短的延迟时间而入射于退火对象物30。
在上述实施例中，图1中所示的激光光源20、传输光学系统21及透镜23具有对退火对象物30进行加热的加热部的功能。在上述实施例中，作为退火用脉冲激光束而使用了绿色波长区域的脉冲激光束，但是，也可以使用能够熔融退火对象物30的表层部的其他波长区域的脉冲激光束。并且，也可以使用其他能量束来代替用以加热的脉冲激光束。如此，也可以使用除了激光光源以外的具有加热功能的装置作为加热部。
并且，在上述实施例中，由处理部40推算退火结果，并将该推算结果输出到输出装置42。处理部40优选具有如下功能：推算退火结果(熔融深度)，而且根据熔融深度的推算结果来判定退火处理是否良好。例如，优选地，处理部40在熔融深度脱离了允许范围时判定为退火处理不良，而在熔融深度落入了允许范围内时判定为退火结果良好。而且，优选地，处理部40在退火结果判定为良好的情况下进行使退火处理后的退火对象物30进入下一个工艺的处理，而在退火结果判定为不良的情况下使输出装置42发出警报以通知操作者产生了不良。
接着，参考图6A及图6B，对基于其他实施例的退火装置及退火方法进行说明。以下，省略对与基于参考图1～图5已进行说明的实施例的退火装置及退火方法相同结构的说明。
在参考图1～图5已进行说明的实施例中，检测热辐射光的强度的波形的特征性形状并根据该形状来计算出了熔融时间。相对于此，在本实施例中，根据热辐射光的强度的波形的面积来计算出熔融时间。下面，参考图6A及图6B，对从热辐射光的强度的波形计算出熔融时间的方法进行说明。
以每一个脉冲的能量密度(脉冲能量密度)互不相同的多个条件进行实际的退火处理，并求出熔融时间和波形的面积。
图6A是表示实际测定出的热辐射光的强度的波形的图表。横轴以单位“ns”来表示经过时间，纵轴以单位“mV”来表示传感器25(图1)的输出电压。即，图6A中所示的图表的纵轴表示热辐射光的强度。图表中的细实线e1、虚线e2及粗实线e3分别表示以脉冲能量密度为1.4J/cm2、1.8J/cm2、2.2J/cm2的条件进行了退火时的热辐射光的强度的波形。
图6B是表示从图6A中所示的波形求出的熔融时间与热辐射光的强度的波形的面积之间的关系的图表。横轴以单位“ns”来表示熔融时间，纵轴以单位“nWb”来表示波形的面积。在此，作为波形的面积，采用了从基于第1脉冲的入射而波形从基准电平上升的时刻起至第2脉冲的入射结束导致波形返回到基准电平为止的期间的面积。可知，熔融时间t和波形的面积S具有大致线性的关系。从图6B中所示的图表中可以导出以下近似公式。
[数式1]
S＝A·t+C
A＝0.1171(nWb/ns)
C＝23.976(nWB)…(1)
其中，S及t分别表示波形的面积及熔融时间。A及C是常数。
可以根据波形的面积S的计算结果、图6B中所示的关系的图表或式(1)来求出熔融时间t。若求出了熔融时间t，则可以根据图3中所示的关系来求出熔融深度。
接着，对本实施例的优异效果进行说明。
在本实施例中，无需检测热辐射光的强度的波形的特征性形状，只需计算出波形的面积即可推算出熔融深度。波形的面积的计算例如可以通过将从传感器25(图1)以规定的时间步长获取的输出电压值简单相加来进行。相对于此，想要检测波形的特征性形状，必须进行去除与波形重叠的噪声的处理、微分运算及比较判定处理等。因此，与检测波形的特征性形状的处理相比，在更短的时间内完成计算波形的面积的处理。因此，若利用基于本实施例的方法，则每次结束退火对象物30的退火处理时，能够即时检测所有退火对象物30。
上述各实施例是示例，理所当然，在不同的实施例中示出的结构可以部分替换或组合。多个实施例中的基于相同结构的相同的作用效果不在各实施例中逐一说明。而且，本发明并不仅限于上述实施例。例如，可以进行各种变更、改进及组合等，这对本领域技术人员而言是显而易见的。
符号说明
10-腔室，11-激光透射窗，12-扫描机构，13-保持台，20-激光光源，21-传输光学系统，22-分光镜，23、24-透镜，25-传感器，30-退火对象物，40-处理部，41-存储装置，42-输出装置。

Claims (6)

1.一种退火装置，其特征在于，具有：
加热部，对退火对象物的表面进行加热从而使表层部暂时熔融；
传感器，检测来自被所述加热部加热的所述退火对象物的热辐射光；及
处理部，根据表示由所述传感器检测出的热辐射光的强度的经时变化的波形来推算出所述退火对象物的退火结果。
2.根据权利要求1所述的退火装置，其特征在于，
所述处理部根据表示由所述传感器检测出的热辐射光的强度的经时变化的波形的特征性形状来求出所述退火对象物的表层部的熔融时间，并根据所述熔融时间来推算出所述退火对象物的表层部的熔融深度。
3.根据权利要求1所述的退火装置，其特征在于，
所述处理部根据表示由所述传感器检测出的热辐射光的强度的经时变化的波形的面积来推算出所述退火对象物的表层部的熔融深度。
4.根据权利要求2或3所述的退火装置，其特征在于，
所述退火装置还具有显示图像的显示部，
所述加热部使加热部位在所述退火对象物的表面上移动，
所述处理部将所述退火对象物的表面内的位置和推算出的熔融深度建立对应关联从而将熔融深度的分布显示于所述显示部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的退火装置，其特征在于，
所述处理部根据由所述传感器检测出的热辐射光的强度来判定退火结果是否良好。
6.一种退火方法，其特征在于，包括如下步骤：
对退火对象物表面的一部分进行加热从而使表层部熔融，
根据表示来自所述退火对象物的被加热的部位的热辐射光的强度的经时变化的波形来推算出所述退火对象物的退火结果。
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