CN113471102A - 一种激光退火设备和激光退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光退火设备和激光退火方法,涉及激光退火技术领域,用于在开放环境中对半导体材料进行激光退火。所述激光退火设备包括激光器、承载台、喷洒装置和移动台;所述承载台可转动地安装在所述移动台上,待退火元件可拆卸地安装在所述承载台的承载面上,所述待退火元件具有待退火表面;所述喷洒装置与所述承载台相对设置上,用于朝向所述待退火表面喷洒液体,当所述承载台旋转时,所述液体在所述待退火表面上形成覆盖整个所述待退火表面的保护液膜;所述激光器与所述承载台相对设置,用于对具有所述保护液膜的所述待退火元件进行激光退火。

Description

一种激光退火设备和激光退火方法
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和激光退火方法。
背景技术
一般需要在密闭腔室中进行半导体材料的激光退火,以防止外界环境污染半导体材料。密闭腔室必须具有由透明材质制作的窗口,以供激光入射。但是穿过透明材质有可能造成入射光的损耗,并且,透明材质上附着的任何颗粒都会对光路产生干扰,影响退火的均匀性。另外,密封腔室对气密性和透光性要求极高,增加了密闭腔室的制作难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光退火设备和激光退火方法,用于在开放环境中对半导体材料进行激光退火。
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、承载台、喷洒装置和移动台。承载台可转动地安装在移动台上,待退火元件可拆卸地安装在承载台的承载面上,待退火元件具有待退火表面。喷洒装置安装在移动台上,用于朝向待退火表面喷洒液体。当承载台旋转时,液体在待退火表面上形成覆盖整个待退火表面的保护液膜。激光器与承载台相对设置,用于对具有保护液膜的待退火元件进行激光退火。
通过上述技术方案,待退火元件安装在承载台的承载面上后,可以跟随承载台同步转动。当喷洒装置朝向旋转的待退火表面喷洒液体时,液体可以附着在待退火表面上并在待退火表面上流动,以形成覆盖整个待退火表面的保护液膜,激光器与承载台相对设置,激光器发射的退火激光照射在覆盖有保护液膜的待退火表面上,以对待退火表面进行激光退火。在激光退火时,保护液膜可以防止外界杂质污染待退火表面,起到与密闭腔室相同的保护作用,因此,本申请提供的激光退火设备允许在开放环境中进行激光退火。
第二方面,本发明提供一种激光退火方法,应用于上述的激光退火设备中,所述激光退火方法包括:
控制承载有所述待退火元件的所述承载台进行旋转;
在所述承载台旋转过程中,控制所述喷洒装置向所述待退火元件喷洒液体,以使所述液体在所述待退火表面上形成覆盖整个所述待退火表面的保护液膜;
控制所述激光器对具有保护液膜的所述待退火元件进行激光退火。
本发明中第二方面及其各种实现方式的有益效果与第一方面或第一方面任一可能的实现方式的有益效果相同,此处不再赘述。
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为本申请实施例提供的一种激光退火设备的示意图;
图2为本申请实施例提供的另一种激光退火设备的示意图;
图3为本申请实施例提供的另一种激光退火设备的俯视图;
图4为本申请实施例提供的激光退火方法的流程图。
附图标记:
1-激光器,2-承载台,21-承载面,3-喷洒装置,4-移动台,5-待退火元件, 51-待退火表面,6-转轴,7-保护壳体,8-液体收集容器,9-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。
目前,用于对半导体材料进行激光退火的密闭腔室,需要极高的气密性以避免有外界气体进入,还需要有极高的洁净度和透光性,以避免造成入射光的损耗。这使得密闭腔室的制作难度和成本很高。本申请提供了一种激光退火设备,该设备允许在开放环境中进行激光退火。
参考图1至图3所示,本发明实施例提供的激光退火设备包括激光器1、承载台2、喷洒装置3和移动台4。承载台2可转动地安装在移动台4上,待退火元件5可拆卸地安装在承载台2的承载面21上,待退火元件5具有待退火表面 51。喷洒装置3安装在移动台4上,用于朝向待退火表面51喷洒液体。当承载台2旋转时,液体在待退火表面51上形成覆盖整个待退火表面51的保护液膜。激光器1与承载台2相对设置,用于对具有保护液膜的待退火元件5进行激光退火。
通过上述技术方案,待退火元件5安装在承载台2的承载面21上后,可以跟随承载台2同步转动。当喷洒装置3朝向旋转的待退火表面51喷洒液体时,液体可以附着在待退火表面51上并在待退火表面51上流动,以形成覆盖整个待退火表面51的保护液膜,激光器1与承载台2相对设置,激光器1发射的退火激光照射在覆盖有保护液膜的待退火表面51上,以对待退火表面51进行激光退火。在激光退火时,保护液膜可以防止外界杂质污染待退火表面51,起到与密闭腔室相同的保护作用,因此,本申请提供的激光退火设备允许在开放环境中进行激光退火。
其中,在承载台2转动时,喷洒装置3可以持续向待退火表面51喷洒液体,随着承载台2的转动,在待退火表面51上可以形成覆盖整个待退火表面51的流动的保护液膜,在激光退火过程中,烧蚀产生的颗粒会在旋转离心力作用下随流动的液体一起甩出,起到清洗待退火表面51的作用。另外,待退火元件5 可以为能够进行冷加工的半导体元件,例如晶圆。
在一种可能的实现方式中,为了使待退火表面51的各处均能够被激光照射到,从而能够在整个待退火表面51进行激光退火,可以使移动台4能够相对于激光器1沿直线方向往复运动,直线方向与承载台2的转动轴线相垂直。这样,承载台2转动的同时相对于激光器1沿直线运动,安装在承载台2上的待退火元件5的待退火表面51的各处均可以被激光照射到。参考图1至图3所示,图中的X方向可以为移动台4的往复直线运动方向。当一个直线运动行程完成后,待退火表面51退火完成,然后使移动台4反向直线运动,就可以进行下一个待退火元件5的激光退火。如此循环,可以连续进行多个待退火元件5的激光退火,提高生产效率。可以使喷洒装置3安装在移动台4上。这样,喷洒装置3 和承载台2均可以在转动的同时跟随移动台4同步沿直线方向往复运动,喷洒装置3和承载台2之间相对静止,避免影响待退火表面51接收液体,从而影响保护液膜的形成。移动台4可以在丝杠或直线滑轨的限位引导下,在动力元件的驱动下沿直线方向往复运动。
在另一种可能的实现方式中,激光器1也可以相对于移动台4沿直线方向往复运动,直线方向与转动轴线相垂直。这就相当于激光器1相对于承载台2 上的待退火元件5沿直线方向往复运动,与此同时,位于承载台2上的待退火元件5在转动,如此,待退火表面51的各处均可以被激光照射到。
其中,移动台4沿直线方向往复运动的行程,可以根据待退火表面51的尺寸以及相对激光器1的位置确定,以保证待退火表面51的各处均可以被激光照射到。例如,待退火表面51可以为圆形,承载台2的转动轴线垂直穿过待退火表面51的圆心,这时,移动台4沿直线方向往复运动的行程应大于或等于圆形的半径。
在一种示例中,激光退火设备还可以包括光线整形器9,激光器1发出的激光经过光线整形器9后转变为线形光斑,线形光斑照射在待退火表面51上。由于线性光斑的形状和尺寸已知,因此便于控制激光器1和移动台4的相对运动,以使待退火表面51的各处均能够被照射到,避免遗漏。
在一种可能的实现方式中,参考图1至图3所示,喷洒装置3的数量可以为多个,多个喷洒装置3绕承载台2的转动轴线均匀分布在承载台2的周围。这样,在待退火表面51上可以有多个洒落点位,利于快速形成覆盖整个待退火表面51的保护液膜。例如,喷洒装置3的数量可以为两个,两个喷洒装置3还可以沿移动台4的直线运动方向分布在承载台2的两侧。
另外,喷洒装置3的出水形状可以为花洒式或水柱式。在一种可能的实施例中,当喷洒装置3的出水形状为水柱式时,转动轴线可以穿过待退火表面51,这样利于形成保护液膜。在这种情况下,每个喷洒装置3所喷出的水柱在待退火表面51上的洒落点与转动轴线之间的距离为A,转动轴线与待退火表面51边缘的最远距离为H,A可以小于或等于H的四分之一,这样利于形成覆盖整个待退火表面51的保护液膜。例如,当待退火元件5为晶圆时,转动轴线垂直穿过待退火表面51的中心,晶圆的待退火表面51的直径为200mm,那么,水柱在待退火表面51上的洒落点位与晶圆的中心之间的距离可以为10mm。
在一种可能的实现方式中,喷洒装置3喷洒的液体中含有用于调整液体折射率的微颗粒。这样可以实现降低退火激光穿过保护液膜时的能量损耗的目的。还可以实现液体粘稠度的调整,在液体温度和承载台转速不变的情况下,合适的液体粘稠度利于在待退火表面51形成厚度合适的保护液膜。例如,液体为水,可以调节水中SiO2的含量,以调节液体的折射率。
在一种可能的实现方式中,喷洒装置3喷洒的液体的温度可调节。温度不同,对应的液体流动性不同,在液体成分和承载台2转速不变的情况下,在待退火表面上对应形成的保护液膜的厚度也不同。例如,液体为水,水温可以在 0~100℃之间调节,水温越高,水的流动性越大。
在一种可能的实现方式中,保护液膜的厚度由承载台2的转速和喷洒装置3 喷洒的液体的流速决定。其中,转速越快,保护液膜的厚度越小;液体的流速越大,保护液膜的厚度越大。因此,可以根据所需要的保护液膜的厚度来调整液体的流速和承载台的转速。
在一种可能的实现方式中,保护液膜的厚度可以小于或等于2mm。虽然保护液膜是用于保护待退火表面51免受污染的,但是,过厚的保护液膜不仅较难形成,而且,过厚的保护液膜会影响激光的入射角度,和延长激光穿过液体的路径,导致激光的能量损失过多。
其中,承载台2的转速要依据液体的粘稠度或流动性决定,以便于液体能够在离心力作用下覆盖整个待退火表面51。即,液体越稠,需要使承载台2的旋转速度越高,以促进液体快速流动而形成覆盖整个待退火表面51的保护液膜。
在一种可能的实施例中,承载台的转速可以为100~10000转/分钟。例如,当液体为水时,转速可以为500转/分钟。
在一种可能的实现方式中,参考图1所示,退火激光的传播方向可以与待退火表面51相垂直。这样利于激光保持原有的能量密度照射在待退火表面51 上,或者以较小的能量密度损失幅度照射在待退火表面51上。这样可以减少激光能量的损失,节约能量。
在一种可能的实现方式中,参考图1和图2所示,承载台2形状可以为圆台形,转动轴线与承载台2的中心轴线重合。这样利于承载台2平稳转动。
在一种可能的实现方式中,激光退火设备还包括位于承载台2和移动台4 之间的转轴6和动力件,转轴6的一端与动力件传动连接,另一端与承载台2 固定连接;在动力件的驱动下,转轴6带动承载台2绕转动轴线转动。也即,动力件驱动转轴6转动,转轴6可以带动承载台2绕转动轴线转动。在一种示例中,动力件可以固定在移动台4上,并与转轴6传动连接,起到支撑转轴6 并带动转轴6转动的作用。例如,动力件可以为电机,电机固定在移动台4上,电机的输出轴与转轴6同轴且周向限位地连接。
在一种可能的实现方式中,激光退火设备还包括液体收集容器8,液体收集容器8位于移动台4和承载台2之间,并安装在移动台4上,液体收集容器8 具有朝向承载台2的开口,用于收集从待退火元件5上落下的液体。这样可以避免从待退火元件5上落下的液体洒落在激光退火设备的其他零部件或周围工位上,影响相应零部件或设备的使用。
在一种示例中,待退火表面51可以为与水平方向平行的平面,液体收集容器8可以构造为环形槽,环形槽间隔套设在转轴6外,在重力方向上,环形槽的槽口位于承载台2边缘和/或待退火元件5边缘的下方,收集从待退火元件5 上落下的液体。
在一种示例中,参考图1所示,当动力件固定在移动台4上时,在动力件的外侧可以套设有保护壳体7,液体收集容器8可以构造为圆形槽,在重力方向上,圆形槽的槽口位于承载台2边缘和/或待退火元件5边缘的下方,收集从待退火元件5上落下的液体。圆形槽的槽底可以具有避让孔,以使圆形槽套设在保护壳体7外侧并与保护壳体7密封连接。
在一种示例中,为了提高激光退火设备的连续运行时间,提高生产效率,激光退火设备还可以包括排液装置,以将液体收集容器8收集的液体及时排出。排液装置可以包括排液管,液体收集容器8具有排液口,排液管连接于排液口。
本发明实施例还提供一种激光退火方法,该激光退火方法可以应用于至少一个上述所有可能实现方式所描述的激光退火设备中,激光退火方法包括:
S101、控制承载有待退火元件5的承载台2进行旋转。
S102、在承载台旋转过程中,控制喷洒装置3向待退火元件5喷洒液体,以使液体在待退火表面51上形成覆盖整个待退火表面51的保护液膜。
S103、再控制激光器1对具有保护液膜的待退火元件5进行激光退火。
其中,在激光退火时,还要控制移动台4沿直线运动,或者控制激光器1 沿直线运动,以使得承载台2转动的同时跟相对于激光器1沿直线运动,这样,待退火表面51的每处均可以被激光照射,从而实现激光退火。
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 (10)

1.一种激光退火设备,其特征在于,包括激光器、承载台、喷洒装置和移动台;所述承载台可转动地安装在所述移动台上,待退火元件可拆卸地安装在所述承载台的承载面上,所述待退火元件具有待退火表面;
所述喷洒装置与所述承载台相对设置,用于朝向所述待退火表面喷洒液体,当所述承载台旋转时,所述液体在所述待退火表面上形成覆盖整个所述待退火表面的保护液膜;
所述激光器与所述承载台相对设置,用于对具有所述保护液膜的所述待退火元件进行激光退火。
2.根据权利要求1所述的激光退火设备,其特征在于,所述移动台能够相对于所述激光器沿直线方向往复运动,所述直线方向与所述承载台的转动轴线相垂直;
和/或,所述喷洒装置安装在所述移动台上。
3.根据权利要求1所述的激光退火设备,其特征在于,所述喷洒装置的数量为多个,多个所述喷洒装置绕所述承载台的转动轴线均匀分布在所述承载台的周围。
4.根据权利要求1所述的激光退火设备,其特征在于,所述喷洒装置喷洒的液体中含有用于调整所述液体折射率的微颗粒;
和/或,所述喷洒装置喷洒的所述液体的温度可调节。
5.根据权利要求1所述的激光退火设备,其特征在于,所述保护液膜的厚度由所述承载台的转速和所述喷洒装置喷洒的液体的流速决定;
和/或,所述保护液膜的厚度小于或等于2mm。
6.根据权利要求1所述的激光退火设备,其特征在于,所述退火激光的传播方向与所述待退火表面相垂直。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的激光退火设备,其特征在于,所述承载台的旋转速度为100~10000转/分钟;
和/或,所述承载台形状为圆台形,所述转动轴线与所述承载台的中心轴线重合。
8.根据权利要求1-6中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位于所述承载台和所述移动台之间的转轴和动力件,所述转轴的一端与所述动力件传动连接,另一端与所述承载台固定连接;
在所述动力件的驱动下,所述转轴带动所述承载台绕所述转动轴线转动。
9.根据权利要求1-6中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液体收集容器,所述液体收集容器位于所述移动台和所述承载台之间,并安装在所述移动台上,所述液体收集容器具有朝向所述承载台的开口,用于收集从所述待退火元件落下的液体。
10.一种激光退火方法,其特征在于,应用于权利要求1-9中任一项所述的激光退火设备中,所述激光退火方法包括:
控制承载有所述待退火元件的所述承载台进行旋转;
在所述承载台旋转过程中,控制所述喷洒装置向所述待退火元件喷洒液体,以使所述液体在所述待退火表面上形成覆盖整个所述待退火表面的保护液膜;
控制所述激光器对具有保护液膜的所述待退火元件进行激光退火。
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