CN113421836B - 一种激光退火设备及激光退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光退火设备及激光退火方法，涉及激光退火技术领域，使得退火更加均匀，并且腔室占用面积小，节约成本。所述激光退火设备包括激光器、密封腔、设置在密封腔内的旋转承载机构、以及与密封腔驱动连接的直线移动机构。旋转承载机构用于单个承载待退火元件。激光器与密封腔分离设置，用于向待退火元件发射退火激光。旋转承载机构用于驱动待退火元件相对激光器旋转。直线移动机构用于驱动密封腔沿直线方向做往复运动，以使待退火元件相对激光器作直线运动。直线方向与旋转承载机构的旋转轴线不平行。

Description

一种激光退火设备及激光退火方法

技术领域

本发明涉及激光退火技术领域，尤其涉及一种激光退火设备及激光退火方法。

背景技术

激光退火技术是纳米集成电路开发中的关键工艺技术。现有技术中，激光退火技术包括：将半导体材料密封在腔室中，激光照射进腔室内，与半导体材料的表面接触后，实现对半导体材料的表面退火。

为使得半导体材料退火均匀，通常在腔室内设置二维移动装置。二维移动装置带动半导体材料在X轴和Y轴与激光发生相对移动，使得半导体材料的表面均与激光接触，实现对半导体材料的表面均匀退火。但是，通过二维移动装置移动半导体材料，精度不容易控制，导致退火不均匀，而且占用面积大，导致成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光退火设备及激光退火方法，使得退火更加均匀，并且腔室占用面积小，节约成本。

第一方面，本发明提供一种激光退火设备。该激光退火设备包括：激光器、密封腔、设置在密封腔内的旋转承载机构、以及与密封腔驱动连接的直线移动机构。旋转承载机构用于单个承载待退火元件。

激光器与密封腔分离设置，用于向待退火元件发射退火激光。旋转承载机构用于驱动待退火元件相对激光器旋转。直线移动机构用于驱动密封腔沿直线方向做往复运动，以使待退火元件相对激光器作直线运动。直线方向与旋转承载机构的旋转轴线不平行。

采用上述技术方案的情况下，激光器与密封腔分离设置，使得激光器与位于密封腔内的待退火元件可以相对运动。退火时，激光器向单个待退火元件发射退火激光，对待退火元件与退火激光的接触部位进行退火。旋转承载机构用于驱动待退火元件相对激光器旋转，在退火过程中，待退火元件可以相对激光器旋转，使得待退火元件以旋转承载机构的旋转轴为圆心，以退火激光与旋转承载机构的旋转轴之间的距离为半径，形成的圆环区域均可以与退火激光接触，实现退火。直线移动机构用于驱动密封腔沿直线方向做往复运动，以使待退火元件相对激光器作直线运动。基于此，在退火过程中，待退火元件相对激光器作直线运动，使退火激光与旋转承载机构的旋转轴之间的距离改变，使得退火激光与待退火元件的不同部位接触，实现均匀退火。

由上可知，本发明提供的激光退火设备通过旋转承载机构和直线移动机构实现对待退火元件均匀退火，旋转承载机构在改变待退火元件时，只需旋转待退火元件，相对于现有技术，使得本发明提供的激光退火设备占用面积小，节约成本。而且在退火过程中，可以使得旋转承载机构的旋转速度固定，只需控制直线移动机构在直线方向移动待退火元件，即可实现均匀退火，使得移动待退火元件精度更加容易控制，使退火更加均匀。

再者，旋转承载机构用于承载单个待退火元件，使本发明提供的激光退火设备每次只退火一个待退火元件，基于此，不仅可以提高旋转承载机构的转速，使得退火更加均匀，而且可以减小待退火元件的离心力，使得待退火元件与旋转承载机构之间连接更加稳定。

另外，旋转承载机构用于承载单个待退火元件，可以减小密封腔的腔室体积和旋转承载机构的体积，不仅可以节约材料成本和使用成本，而且使本发明提供的激光退火设备更加精密，使得在旋转承载机构转动过程中，不易引入机械颗粒，减少机械颗粒污染待退火元件。

第二方面，本发明还提供一种激光退火方法，应用于上述的激光退火设备中。该激光退火方法包括：

在激光器对待退火元件进行退火的情况下，控制旋转承载机构旋转，以使待退火元件相对激光器旋转，并控制直线移动机构沿直线方向往复运动，以使待退火元件相对激光器作直线运动。

第二方面提供的激光退火方法的有益效果与第一方面所描述的激光退火设备的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的激光退火设备的一种视图。

图2为本发明实施例提供的激光退火设备的另一种视图；

图3为本发明实施例提供的退火激光在待退火元件上的一种轨迹图；

图4为本发明实施例提供的退火激光在待退火元件上的另一种轨迹图。

附图标记：A-待退火元件，100-激光器，200-密封腔，210-入光部，300-旋转承载机构，310-承载台，320-旋转驱动机构，330-真空吸附组件，400-直线移动机构，500-辐射式加热装置，600-光线整形器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。

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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

激光退火技术是纳米集成电路开发中的关键工艺技术。现有技术中，激光退火技术包括：将半导体材料密封在腔室中，激光照射进腔室内，与半导体材料的表面接触后，实现对半导体材料的表面退火。

为使得半导体材料退火均匀，通常在腔室内设置二维移动装置。二维移动装置带动半导体材料在X轴和Y轴与激光发生相对移动，使得半导体材料的表面均与激光接触，实现对半导体材料的表面均匀退火。但是，通过二维移动装置移动半导体材料，精度不容易控制，导致退火不均匀，而且占用面积大，导致成本高。

图1示例出本发明实施例提供的激光退火设备的一种视图。图2示例出本发明实施例提供的激光退火设备的另一种视图。如图1和图2所示，一种激光退火设备。该激光退火设备包括：激光器100、密封腔200(图1和图2中密封腔的侧壁未画出)、设置在密封腔200内的旋转承载机构300、以及与密封腔200驱动连接的直线移动机构400。旋转承载机构300用于单个承载待退火元件A。激光器100与密封腔200分离设置，用于向待退火元件A发射退火激光。旋转承载机构300用于驱动待退火元件A相对激光器100旋转。直线移动机构400用于驱动密封腔200沿直线方向做往复运动，以使待退火元件A相对激光器100作直线运动。直线方向与旋转承载机构300的旋转轴线不平行。图1和图2中的箭头方向为直线移动机构400的直线方向。

通过上述技术方案，如图1和图2所示，激光器100与密封腔200分离设置，使得激光器100与位于密封腔200内的待退火元件A可以相对运动。退火时，激光器100向单个待退火元件A发射退火激光，对待退火元件A与退火激光的接触部位进行退火。图3示例出本发明实施例提供的退火激光在待退火元件上的一种轨迹图。图3中的箭头方向为待退火元件的旋转方向，阴影部分为退火激光在待退火元件上的轨迹。如图3所示，旋转承载机构300用于驱动待退火元件A相对激光器100旋转，在退火过程中，待退火元件A可以相对激光器100旋转，使得待退火元件A以旋转承载机构300的旋转轴为圆心，以退火激光与旋转承载机构300的旋转轴之间的距离为半径，形成的圆环区域均可以与退火激光接触，实现退火。图4示例出本发明实施例提供的退火激光在待退火元件上的另一种轨迹图。图4中的箭头方向为直线移动机构的直线方向，阴影部分为退火激光在待退火元件上的轨迹。如图4所示，直线移动机构400用于驱动密封腔200沿直线方向做往复运动，以使待退火元件A相对激光器100作直线运动。基于此，结合图3图4的轨迹可知，在退火过程中，待退火元件A相对激光器100作直线运动，使退火激光与旋转承载机构300的旋转轴之间的距离改变，使得退火激光与待退火元件A的不同部位接触，实现均匀退火。

由上可知，如图1和图2所示，本发明提供的激光退火设备通过旋转承载机构300和直线移动机构400实现对待退火元件A均匀退火，旋转承载机构300在改变待退火元件A时，只需旋转待退火元件A，相对于现有技术，使得本发明提供的激光退火设备占用面积小，节约成本。而且在退火过程中，可以使得旋转承载机构300的旋转速度固定，只需控制直线移动机构400在直线方向移动待退火元件A，即可实现均匀退火，使得移动待退火元件A精度更加容易控制，使退火更加均匀。

再者，如图2所示，旋转承载机构300用于承载单个待退火元件A，使本发明提供的激光退火设备每次只退火一个待退火元件A，基于此，不仅可以提高旋转承载机构300的转速，使得退火更加均匀，而且可以减小待退火元件A的离心力，使得待退火元件A与旋转承载机构300之间连接更加稳定。

另外，如图2所示，旋转承载机构300用于承载单个待退火元件A，可以减小密封腔200的腔室体积和旋转承载机构300的体积，不仅可以节约材料成本和使用成本，而且使本发明提供的激光退火设备更加精密，使得在旋转承载机构300转动过程中，不易引入机械颗粒，减少机械颗粒污染待退火元件A。

具体的，如图1所示，可以将激光器100固定在密封腔200的顶部，旋转承载机构300相对激光器100设在激光器100的下方。退火前，将单个待退火元件A固定在旋转承载机构300上。待退火元件A可以为能够进行冷加工的半导体元件，例如晶圆。

如图2所示，退火时，激光器100向待退火元件A发射退火激光。在退火过程中，旋转承载机构300驱动待退火元件A旋转，使得待退火元件A相对激光器100旋转。直线移动机构400驱动密封腔200沿直线方向移动，由于旋转承载机构300设在密封腔200内，密封腔200移动时，会带动旋转承载机构300移动，从而带动待退火元件A移动。

如图4所示，在直线移动机构400移动待退火元件A前，可以使得退火激光的光斑位于待退火元件A的最左侧。在退火过程中，直线移动机构400带动待退火元件A向左移动，使得光斑向待退火元件A的中部靠近，配合旋转承载机构300，从而将待退火元件A的整个待退火表面均匀退火。在实际应用中，为提高退火质量，光斑移动至待退火元件A的中部后，可以继续向左移动待退火元件A，使得光斑移动至待退火元件A的最右侧，从而对待退火元件A实现两次退火，提高退火质量。当一个直线运动行程完成后，待退火元件A退火完成，通过直线移动机构400使密封腔200反向直线移动，就可以进行下一个待退火元件A的激光退火。如此循环，可以依次进行多个待退火元件A的激光退火。

作为一种可能的实现方式，如图2所示，上述直线方向与旋转承载机构300的旋转轴线可以垂直。例如，直线方向为水平方向，旋转承载机构300的旋转轴线为竖直方向。在实际应用中，待退火元件A水平放置在旋转承载机构300上，待退火元件A的待退火表面水平朝上，直线方向与旋转承载机构300的旋转轴线垂直，使得待退火元件A的待退火表面与直线方向所在的平面平行，基于此，退火激光与待退火表面的各处之间的距离相同，方便通过直线移动机构400均匀移动待退火元件A，使得退火更加均匀。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，上述旋转承载机构300的转速可以为1RPM～8000RPM。经发明人研究，旋转承载机构300的转速过慢，会降低退火效率，而且退火不均匀；旋转承载机构300的转速过快，容易导致待退火元件A与旋转承载机构300分离，并且能耗高；而旋转承载机构300的转速为1RPM～8000RPM，在保证退火效率和退火质量的同时，可以降低能耗，减少待退火元件A与旋转承载机构300分离。

作为一种可能的实现方式，激光器发射的激光形成在待退火元件表面的光斑为线斑。本文中“线斑”指“矩形光斑”。具体的，激光退火设备还可以包括光线整形器，激光器发出的退火激光经过光线整形器后转变为线斑，线斑照射在待退火元件上。

如图4所示，激光器100发射在待退火元件A表面的光斑为线斑，待退火元件A在直线移动机构400的驱动下，线斑在待退火元件A的待退火表面的轨迹为直线，光斑为线斑方便控制直线移动机构400每次移动待退火元件A的距离，使得退火精度更高，退火更加均匀。

在一种可选方式，上述线斑的尺寸为10um×1mm～1mm×5mm。经发明人研究，线斑的尺寸越大，激光的能量损失越大；线斑的尺寸越小，退火效率越低。而线斑的尺寸为10um×1mm～1mm×5mm，在保证退火效率的情况下，可以尽可能减少激光的能量损失，节约成本。

作为一种可能的实现方式，如图1和图2所示，上述直线移动机构400可以包括直线轨道以及与密封腔200驱动连接的驱动机构。密封腔200滑动连接在直线轨道上。具体的，如图1所示，密封腔200的底壁可以开设供直线轨道穿过的安装孔，使得密封腔200可套设在直线轨道上，并可沿直线轨道的延伸方向直线移动。

如图1所示，驱动机构用于驱动密封腔200在直线轨道上移动。图1和图2中未画出驱动机构。驱动机构可以为步进电机，步进电机固定在直线轨道上，步进电机的活动端与密封腔200连接，步进电机的活动端沿直线轨道的延伸方向伸缩，从而带动密封腔200在直线轨道上移动。驱动机构也可以为丝杆螺母机构，但不限于此。当驱动机构为步进电机时，步进电机驱动密封腔200在直线轨道上的最小步进可以为10nm。

在一种可选方式中，如图1所示，上述直线轨道可以为磁浮式轨道或气浮式轨道。磁浮式轨道或气浮式轨道使得密封腔200与直线轨道之间的摩擦力小，驱动机构控制密封腔200相对直线轨道移动更加精准，使得退火精度更高，退火更加均匀。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，上述旋转承载机构300包括承载台310以及与承载台310驱动连接的旋转驱动机构320。承载台310用于承载待退火元件A。旋转驱动机构320设在密封腔200上，用于驱动承载台310旋转的旋转驱动机构320。

具体的，如图1所示，上述旋转驱动机构320可以为旋转电机，但不限于此。旋转电机固定在密封腔200上，旋转电机的输出端与承载台310连接，从而带动承载台310旋转。

在一种可选方式中，如图2所示，上述承载台310可以为圆台。旋转轴线与圆台的中心轴线重合。

基于此，如图2所示，承载台310为圆台，并且承载台310的旋转轴线与圆台的中心轴线重合，使得承载台310在旋转过程中受力更加均匀，不仅延长承载台310的使用寿命，更重要的是，在旋转承载机构300旋转过程中，不易引入机械颗粒，减少机械颗粒污染退火元件。

在一种可选方式中，如图2所示，当上述待退火元件A安装在承载台310上，圆台的中心轴线的延长线穿过待退火元件A的重心。

基于此，如图2所示，圆台的中心轴线的延长线穿过待退火元件A的重心，使得旋转轴线与待退火元件A的重心所在的轴线重合，使得待退火元件A在旋转过程中受力更加均匀，减小待退火元件A的离心力，使待退火元件A与旋转承载机构300之间连接更加稳定。

在一种可选方式中，如图4所示，上述激光器100发射的退火激光的移动轨迹经过圆台的中心。激光器100发射的退火激光的移动轨迹经过圆台的中心，当直线移动机构400带动待退火元件A与激光相对移动时，激光从圆台的边缘移动至圆台的圆心位置，即可对圆台上的各个区域退火，从而对圆台上的待退火元件A的各个区域退火。

在一种可选方式中，如图3所示，上述旋转承载机构300还包括用于吸附待退火元件A的真空吸附组件330，真空吸附组件330设在承载台310上。退火时，开启真空吸附组件330，真空吸附组件330可以将待退火元件A吸附在承载台310上，避免在退火过程中，待退火元件A与承载台310发生相对位移。退火完成后，关闭真空吸附组件330，可以将退火后的待退火元件A快速取下。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，上述密封腔200具有供激光器100的激光穿过的入光部210。入光部210的材质为透明材质，入光部210可以保证指定波长的激光入射进密封腔200内部。入光部210的可以为高透石英玻璃或选择性虑光玻璃，但不限于此。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，上述密封腔200的内壁可以硅涂层和二氧化硅涂层中的至少一种。例如，密封腔200的内壁可以具有硅涂层或二氧化硅涂层，也可以同时具有硅涂层和二氧化硅涂层。当同时具有硅涂层和二氧化硅涂层时，现在密封腔200的内壁形成一层二氧化硅涂层，再在二氧化硅涂层的上方形成硅涂层。

基于此，封腔的内壁可以硅涂层和二氧化硅涂层中的至少一种。二氧化硅可以吸收入射激光，硅用来防止腔体侧壁上的杂质被激光刻蚀溢出，避免对待退火元件造成沾污。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，上述激光退火设备还可以包括与密封腔200连通的抽真空装置，抽真空装置用于为密封腔200提供负压环境。激光退火设备也可以包括与密封腔200连通的供压装置，供压装置用于为密封腔200提供正压环境。为密封腔200提供正压环境时，可通过供压装置为密封腔200充入N₂或Ar等气体作为保护气体。

上述供压装置和抽真空装置可以择一设置，也可以同时设置。当供压装置和抽真空装置同时设置时，在使用时，可以根据需要选择供压装置或抽真空装置。

作为一种可能的实现方式，如图1所示，激光退火设备还包括设在密封腔200内的至少一个辐射式加热装置500。其中，至少一个辐射式加热装置500设在密封腔200的底壁和/或侧壁，用于对待退火元件A进行加热。辐射式加热装置500可以为加热灯管，但不限于此。

现有技术中，通常将承载台作为发热装置，在退火前，待退火元件与承载台接触后，承载台上的热量经待退火元件传递至待退火元件的待退火表面，从而为待退火元件的待退火表面预热。而本发明实施例中，如图1所示，辐射式加热装置500通过热辐射的方式对待退火元件A加热，热量可以辐射在待退火元件A的待退火表面，相对于现有技术，不需要通过待退火元件A传递，加热效率高。当辐射式加热装置500设在密封腔200的侧壁，辐射值加热装置的热量可以直接辐射在待退火元件A的待退火表面，进一步提高加热效率。

本发明实施例还提供一种激光退火方法，应用于上述激光退火设备中。该激光退火方法包括：

在激光器对待退火元件进行退火的情况下，控制旋转承载机构旋转，以使待退火元件相对激光器旋转，并控制直线移动机构沿直线方向往复运动，以使待退火元件相对激光器作直线运动。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种激光退火设备，其特征在于，包括：激光器、密封腔、设置在所述密封腔内的旋转承载机构、以及与所述密封腔驱动连接的直线移动机构；所述旋转承载机构用于承载单个待退火元件；

所述激光器与所述密封腔分离设置，用于向所述待退火元件发射退火激光；

所述旋转承载机构用于驱动所述待退火元件相对所述激光器旋转；所述旋转承载机构包括承载台以及与所述承载台驱动连接的旋转驱动机构，所述旋转驱动机构设在所述密封腔上，用于驱动所述承载台旋转；所述承载台为圆台，所述旋转承载机构的旋转轴线与所述圆台的中心轴线重合；当所述待退火元件安装在所述承载台上，所述圆台的中心轴线的延长线穿过所述待退火元件的重心；所述激光器发射的退火激光的移动轨迹经过所述圆台的中心；

所述直线移动机构用于驱动所述密封腔沿直线方向做往复运动，以使所述待退火元件相对所述激光器作直线运动；所述直线方向与所述旋转承载机构的旋转轴线不平行；

所述密封腔的内壁具有硅涂层和二氧化硅涂层中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的激光退火设备，其特征在于，所述直线方向与所述旋转承载机构的旋转轴线垂直；和/或，

所述旋转承载机构的转速为1RPM～8000RPM；和/或，

所述激光器发射的激光形成在所述待退火元件表面的光斑为线斑；其中，所述线斑的尺寸为10um×1mm～1mm×5mm。

3.根据权利要求1所述的激光退火设备，其特征在于，所述直线移动机构包括：

与所述密封腔滑动连接的直线轨道；

以及与所述密封腔驱动连接的驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述密封腔在所述直线轨道上移动。

4.根据权利要求3所述的激光退火设备，其特征在于，所述直线轨道为磁浮式轨道或气浮式轨道。

5.根据权利要求1所述的激光退火设备，其特征在于，所述旋转承载机构还包括用于吸附所述待退火元件的真空吸附组件，所述真空吸附组件设在所述承载台上。

6.根据权利要求1～4任一项所述的激光退火设备，其特征在于，所述密封腔具有供所述激光器的激光穿过的入光部，所述入光部的材质为透明材质；和/或，

所述激光退火设备还包括与所述密封腔连通的抽真空装置，所述抽真空装置用于为所述密封腔提供负压环境；和/或，

所述激光退火设备还包括与所述密封腔连通的供压装置，所述供压装置用于为所述密封腔提供正压环境。

7.根据权利要求1～4任一项所述的激光退火设备，其特征在于，所述激光退火设备还包括设在所述密封腔内的至少一个辐射式加热装置；其中，

所述至少一个辐射式加热装置设在所述密封腔的底壁和/或侧壁，用于对所述待退火元件进行加热。

8.一种激光退火方法，其特征在于，应用于权利要求1～7任一项所述的激光退火设备中，所述激光退火方法包括：

在所述激光器对所述待退火元件进行退火的情况下，控制所述旋转承载机构旋转，以使所述待退火元件相对所述激光器旋转，并控制所述直线移动机构沿直线方向往复运动，以使所述待退火元件相对所述激光器作直线运动。

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