CN113594029A - 一种基于复合激光源的激光退火设备及退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合激光源的激光退火设备及退火方法，该退火设备包括载物台、复合激光源和移动部件，载物台用于承载待退火结构；复合激光源包括第一激光源和第二激光源；第一激光源的功率大于第二激光源的功率；第一激光和第二激光分别入射至待退火结构表面的不同区域；移动部件，用于使载物台和复合激光源相对运动，以使待退火结构同一退火区域先经第二激光预热后再经第一激光退火。在本发明中，复合激光源能同时发射不同功率的第一激光和第二激光，通过移动部件可以使待退火结构与复合激光源相对运动，第二激光用于预热，第一激光用于退火，当前区域的退火和下一区域的预热同时进行，可大大节省整体退火时间，提高退火效率。

Description

一种基于复合激光源的激光退火设备及退火方法
技术领域
本发明属于集成电路退火领域，尤其涉及基于复合激光源的激光退火设备及退火方法。
背景技术
晶圆的退火是超大规模集成电路制造中的一个重要步骤，通过对注入离子的硅片进行加热，将杂质原子激活，使杂质原子移动到晶格点，修复晶格损伤，提高晶圆的电学特性，并降低其内应力。
其中，激光退火是退火的常用手段。激光退火通常是指用一束线光斑照射晶圆表面，使照射部位能够在极短的时间内将温度提高至一千摄氏度以上，达到晶圆的退火温度。由于激光加热时间短、升降温速率快等特点防止了热处理过程中杂质的扩散和再分布，在器件制造中成为重要的退火手段
传统的激光退火，因为激光能够在小范围内快速提高硅片温度至退火温度，虽然相对于高温炉退火能够提高效率，节省成本，但由于激光退火引起的局部温度急速变化，容易引起晶圆表面热应力形变，导致退火效果不好。目前一般的解决方法是在执行激光退火之前先将晶圆放入退火炉提前预热以降低激光退火的热应力形变，但是通过退火炉对晶圆整体加热，该预热过程升温较慢且耗时较长，退火效率不高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于复合激光源的激光退火设备及退火方法，其目的在于进行激光退火时能够降低热应力形变且提高退火效率，由此解决传统退火过程中预热过程升温较慢且耗时较长，退火效率不高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于复合激光源的激光退火设备，其包括载物台、复合激光源和移动部件，其中，
载物台用于承载待退火结构；
复合激光源包括第一激光源和第二激光源；所述第一激光源用于发射第一激光，第二激光源用于发射第二激光，所述第一激光源的功率大于所述第二激光源的功率；所述第一激光和第二激光分别入射至待退火结构表面的不同区域；
移动部件，用于使所述载物台和所述复合激光源相对运动，以使待退火结构同一退火区域先经第二激光预热后再经第一激光退火。
优选地，所述第一激光源为CO2激光器，所述第二激光源为半导体激光器。
优选地，所述复合激光源还包括整形部件，所述整形部件包括反射式积分镜和鲍威尔棱镜，其中，所述反射式积分镜用于将所述第一激光积分成线光斑，所述鲍威尔棱镜用于使所述第二激光转换为线光斑。
优选地，所述复合激光源还包括整形部件，所述整形部件包括第一菲涅尔透镜组和第二菲涅尔透镜组，每组菲涅尔透镜组包括快轴菲涅尔透镜和慢轴菲涅尔透镜，所述快轴菲涅尔透镜和慢轴菲涅尔透镜的楞互相垂直，第一菲涅尔透镜组用于使所述第一激光在快轴和慢轴两个方向均匀化，第二菲涅尔透镜组用于使所述第二激光在快轴和慢轴两个方向均匀化。
优选地，所述激光退火设备还包括定位组件，所述定位组件包括第一激光光斑定位组件和第二激光光斑定位组件，所述第一激光光斑定位组件包括棱镜和用于支撑所述棱镜的调节支架，所述第一激光经棱镜反射后在所述待退火结构上形成第一激光光斑，所述调节支架用于调整所述棱镜的倾斜程度；所述第二激光光斑定位组件包括平行设置且距离可调的第二反射镜和第三反射镜，所述第二激光以45°入射角入射至所述第二反射镜，且依次经所述第二反射镜和第三反射镜反射入垂直入射至待退火结构上形成第二激光光斑。
优选地，所述定位组件还包括第一柱面镜组和第二柱面镜组，所述第一柱面镜组用于对所述第一激光进行聚焦后入射至所述第一激光光斑定位组件，所述第二柱面镜组用于对所述第三反射镜反射的第一激光进行聚焦后入射至所述待退火结构上。
优选地，所述激光退火设备还包括控制系统，所述控制系统用于在退火期间控制所述移动部件朝相反方向来回旋转两次，其中，第一次旋转使待退火结构同一退火区域先被第二激光照射后再被第一激光照射，第二次旋转的方向与第一次旋转的方向相反。
优选地，所述移动部件与所述载物台联动以带动载物台旋转。
优选地，所述激光退火设备还包括监控系统和控制系统，所述监控系统包括第一分光镜、第二分光镜、第一传感器和第二传感器，整形后的第一激光经第一分光镜分出部分光线入射至所述第一传感器，整形后的第二激光经第二分光镜分出部分光线入射至所述第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器用于根据接收到的光线分析第一激光和第二激光是否满足预设条件并反馈至控制系统。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于复合激光源的激光退火方法，其用上述任一项所述的激光退火设备对置于载物台上的待退火结构进行退火，其中，移动部件与所述载物台联动以带动载物台旋转，且当以当前旋转中心旋转完成当前区域的退火后，移动移动部件以调整载物台的旋转中心，执行下一次旋转以对另一区域退火。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于激光退火设备采用复合激光源，复合激光源能同时发射不同功率的第一激光和第二激光，功率较低的第二激光可用于预热，功率较高的第一激光可用于退火。同时，又由于激光退火设备还设置有移动部件，通过移动部件可以使置于载物台上的待退火结构与上述复合激光源相对运动，通过该相对运动，使待退火结构的同一退火区域先经过第二激光的光斑处进行预热，再经过第一激光的光斑处进行退火，先预热再退火，可以降低热应力形变。在本申请中，通过激光进行预热，其升温速度大于传统炉管的预热速度，而且，随着载物台和复合激光源的相对运动，在第一激光对当前退火区域进行退火的同时，第二激光对下一退火区域进行预热，使当前区域的退火和下一区域的预热同时进行，可大大节省整体退火时间，提高退火效率。
附图说明
图1是一实施例中基于复合激光源的激光退火设备的结构示意图；
图2是一实施例中基于复合激光源的激光退火设备的系统框图；
图3是一实施例中基于复合激光源的激光退火设备的元件关系图；
图4是一实施例中积分镜原理图；
图5是一实施例中鲍威尔棱镜整形光路图；
图6是一实施例中转角棱镜调整角度原理图；
图7是一实施例中第三反射镜与第二柱面镜组调整光斑距离示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其标号说明如下：
1、CO2激光器；2、第一准直镜；3、反射式积分镜；4、第一快轴菲涅尔透镜；5、第一慢轴菲涅尔透镜；6、第一分光镜、7、第一传感器；8、第一柱面镜组；9、转角棱镜；10、晶圆；11、载物台；12、半导体激光器；13、第二准直镜；14、第一反射镜；15、鲍威尔棱镜；16、第二快轴菲涅尔透镜；17、第二慢轴菲涅尔透镜；18、第二传感器；19、第二分光镜；20、第二反射镜；21、第三反射镜；22、第二柱面镜组；23--调节支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，在一实施例中，基于复合激光源的激光退火设备包括载物台、复合激光源和移动部件。
其中，载物台用于承载待退火结构，待退火结构可以为晶圆，但不限于晶圆，也可以为其他半导体结构。
其中，复合激光源包括第一激光源和第二激光源。所述第一激光源用于发射第一激光，第二激光源用于发射第二激光，所述第一激光源的功率大于所述第二激光源的功率，第一激光源发射的第一激光的功率可大于第二激光源发射的第二激光的功率，第一激光和第二激光分别入射至待退火结构表面的不同区域，即第一激光光斑和第二激光光斑投射于不同区域。
其中，移动部件用于使所述载物台和所述复合激光源相对运动，以使待退火结构同一退火区域先经第二激光预热后再经第一激光退火。具体的，该移动部件可与复合激光源联动，以带动复合激光源相对载物台移动；也可以如图1所示与载物台联动，以带动载物台相对复合激光源移动，具体可以带动载物台旋转，其旋转方向如图1箭头所示，使同一退火区域先经过第二激光光斑后再经过第一激光光斑，如图1虚线所示区域则为旋转一周后经激光照射退火的区域。
在本发明中，由于激光退火设备采用复合激光源，复合激光源能同时发射不同功率的第一激光和第二激光，功率较低的第二激光可用于预热，功率较高的第一激光可用于退火。同时，又由于激光退火设备还设置有移动部件，通过移动部件可以使置于载物台上的待退火结构与上述复合激光源相对运动，通过该相对运动，使待退火结构的同一退火区域先经过第二激光的光斑处进行预热，再经过第一激光的光斑处进行退火，先预热再退火，可以降低热应力形变。且随着载物台和复合激光源的相对运动，在第一激光对当前退火区域进行退火的同时，第二激光对下一退火区域进行预热，且通过激光进行预热，其升温速度大于传统炉管的预热速度，通过利用激光预热且当前区域的退火和下一区域的预热同时进行，可大大节省整体退火时间，提高退火效率。
在一实施例中，如图2所示，激光退火设备还包括控制系统，所述控制系统用于在退火期间控制所述移动部件朝相反方向来回旋转两次。具体的，可控制载物台朝相反方向来回旋转两次。其中，第一次旋转使待退火结构同一退火区域先被第二激光照射后再被第一激光照射，实现先预热在退火。第二次旋转的方向与第一次旋转的方向相反，即再次对退火区域进行激光照射，以缓解退火区域温度下降的速度，增长退火时间。
在一实施例中，第一激光源使用的功率为3300W～2600W，所述第一激光源具体可为CO2激光器，所述第二激光源所使用的功率为700W～900W，第二激光源可为半导体激光器。在本实施例中，CO2激光器是一种能量转换效率较高和输出最强的气体激光器,具体的，CO2激光器可以为射频板条CO2激光器激光器，该激光器能够输出大功率激光，它也具有输出光束的光学质量高,相干性好,线宽窄,工作稳定等优点。半导体激光器具有体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点。在本实施例中，以CO2激光器作为第一激光源、以半导体激光器作为第二激光源，能够提升退火效果。
在一实施例中，如图2所示，复合激光源还包括整形部件，通过整形部件将第一激光和第二激光整形为较细的线光斑，增强光斑的均匀性和集中度，以提高退火质量。
在一具体的实施例，结合图2和图3所示，第一激光为CO2激光器1，整形部件包括反射式积分镜3。如图4所示，所述反射式积分镜3用于将所述第一激光积分成线光斑，具体可积分成矩形线光斑。在本实施例中，选用的反射式积分镜3为带状积分镜，能够将激光器发射的圆形光斑反射成矩形条状光斑并汇聚。同时，因为CO2激光功率较大，选用透射式积分镜由于光束穿过镜体会产生大量热量，长期使用会降低其寿命，本实施例选用反射式积分镜3能够反射掉大量热量，对光源系列水冷压力更小。
进一步的，如图3所示，在CO2激光器1和反射式积分镜3之间还设置有第一准直镜2，通过第一准直镜2对CO2激光器1发射的第一激光进行准直处理，减小第一激光的发散程度，形成平行的第一激光后再入射至反射式积分镜3。
在一具体的实施例中，结合图2和图3所示，第二激光为半导体激光器12，整形部件包括鲍威尔棱镜15。如图5所示，所述鲍威尔棱镜15用于将所述第二激光转换为线光斑。在本实施例中，由于鲍威尔棱镜15是一种光学划线棱镜，它使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线，鲍威尔棱镜的划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布，因此，本实施例选用鲍威尔棱镜对第二激光进行整形，能够得到较好的线光斑。
进一步的，如图3所示，在半导体激光器12和鲍威尔棱镜15之间还设置有第二准直镜13和第一反射镜14，通过第二准直镜13对半导体激光器12发射的第二激光进行准直处理，减小第二激光的发散程度，形成平行的第二激光后再经第一反射镜14反射至鲍威尔棱镜15。
在一实施例中，如图3所示，整形部件还包括第一菲涅尔透镜组和第二菲涅尔透镜组。第一菲涅尔透镜组包括第一快轴菲涅尔透镜4和第一慢轴菲涅尔透镜5，第二菲涅尔透镜组包括第二快轴菲涅尔透镜16和第二慢轴菲涅尔透镜17，快轴菲涅尔透镜和慢轴菲涅尔透镜的楞互相垂直。第一菲涅尔透镜组用于接收第一激光并使所述第一激光在快轴和慢轴两个方向均匀化，第二菲涅尔透镜组用于接收第二激光使所述第二激光在快轴和慢轴两个方向均匀化，以得到更加均匀的线光斑。
进一步的，如图3所示，第一菲涅尔透镜组位于反射式积分镜3下方，反射式积分镜3输出的线光斑经第一菲涅尔透镜组进行均匀化处理，第二菲涅尔透镜组位于鲍威尔棱镜15下方，鲍威尔棱镜15输出的线光斑经第二菲涅尔透镜组进行均匀化处理。
在一实施例中，如图2所示，复合激光源还包括定位部件，通过定位部件使第一激光和第二激光入射至待退火结构的特定区域。
在一具体的实施例中，结合图3和图6所示，定位部件包括第一激光光斑定位组件，所述第一激光光斑定位组件包括转角棱镜9和用于支撑所述转角棱镜9的调节支架23，所述第一激光经转角棱镜9反射后在所述待退火结构上形成第一激光光斑，所述调节支架23用于调整所述转角棱镜9的倾斜程度，从而调节第二激光光斑的位置。具体的，通过第一激光光斑定位组件，使第一激光以布儒斯特角入射至待退火结构上，以布儒斯特角入射的第一激光能够有效消除“图案效应”，提高激光退火的成功率。
进一步的，如图3所示，第一激光光斑定位组件还包括第一柱面镜组8，第一柱面镜组8位于转角棱镜9前端，第一激光经第一柱面镜组8后入射至转角棱镜9。在本实施例中，采用柱面镜组消除球差，保证光斑的形状以及均匀性。
在一具体的实施例中，结合图3和图7所示，所述第二激光光斑定位组件包括平行设置且距离可调的第二反射镜20和第三反射镜21，所述第二激光以45°入射角入射至所述第二反射镜20，且依次经所述第二反射镜20和第三反射镜21反射后垂直入射至待退火结构上形成第二激光光斑。在本实施例中，通过设置距离可调的第二反射镜20和第三反射镜21，可以根据需要灵活调节第第二激光光斑的位置，从而调节第一激光和第二激光之间的距离。在实际退火操作中，若第二激光的预热温度较高，可通过调节第二反射镜20和第三反射镜21之间的距离，增大第一激光和第二激光之间的间距，使经第二激光光斑预热的区域适当降温后再经第一激光光斑退火。
进一步的，如图3所示，第二激光光斑定位组件还包括第二柱面镜组22，第二柱面镜组22位于第三反射镜21后端，第二激光经第三反射镜21反射至第二柱面镜组22，经第二柱面镜组22再入射至待退火结构。在本实施例中，采用柱面镜组消除球差，保证光斑的形状以及均匀性。
在一实施例中，如图2所示，激光退火设备还包括监控系统和控制系统，监控系统用于采集经整形后的第一激光部分光线和第二激光部分光线，并分析整形后的第一激光和第二激光是否满足预设条件，将分析结果反馈至控制系统，由控制系统反馈调节第一激光和第二激光的功率大小。
具体的，如图3所示，所述监控系统包括第一分光镜6、第二分光镜19、第一传感器7和第二传感器18，经整形部件整形后的第一激光经第一分光镜6分出部分光线入射至所述第一传感器7，经整形部件整形后的第二激光经第二分光镜19分出部分光线入射至所述第二传感器18，所述第一传感器7和所述第二传感器18用于根据接收到的光线分析第一激光和第二激光是否满足预设条件并反馈至控制系统。其中，第一分光镜6和第二分光镜19的透光率大于等于99.5％，即，99.5％以上的光线可透过反光镜入射至待退火结构上，只有即少量光线被反射至传感器进行分析，对退火影响也忽略不计。
在一实施例中，第一激光光斑和第二激光光斑可为矩形线光斑，其中，第一激光光斑的大小可为(8mm～11mm)*(70um～80um),第一激光光斑的大小可为(9mm`11mm)*(0.4mm～0.6mm)
本发明还涉及一种基于复合激光源的激光退火方法，利用上述激光退火设备对置于载物台上的待退火结构进行退火，其中，移动部件与所述载物台联动以带动载物台旋转，且当以当前旋转中心旋转完成当前区域的退火后，移动移动部件以调整载物台的旋转中心，执行下一次旋转以对另一区域退火。
以下以一具体的实施例说明激光退火方法，在本实施例中，以晶圆为待退火结构、CO2激光器为第一激光源、半导体激光器为第二激光源为例进行说明。
如图3所示，将晶圆10置于载物台11上，启动CO2激光器1和半导体激光器12，CO2激光器1和半导体激光器12分别沿水平方向发射第一激光和第二激光，第一激光和第二激光方向相反，其中，第一激光依次通过第一准直镜2、反射式积分镜3、第一快轴菲涅尔透镜4和第一慢轴菲涅尔透镜5、第一分光镜6、第一柱面镜组8和转角棱镜9后，以布儒斯特角入射至晶圆表面形成第一激光光斑；第二激光依次通过第二准直镜13、第一反射镜14、鲍威尔棱镜15、第二快轴菲涅尔透镜16和第二慢轴菲涅尔透镜17、第二分光镜19、第二反射镜20、第三反射镜21和第二柱面镜组22后，垂直入射至晶圆表面形成第二激光光斑。
在本发明中，由于激光退火设备采用复合激光源，复合激光源能同时发射不同功率的第一激光和第二激光，功率较低的第二激光可用于预热，功率较高的第一激光可用于退火。同时，又由于激光退火设备还设置有移动部件，通过移动部件可以使置于载物台上的待退火结构与上述复合激光源相对运动，通过该相对运动，使待退火结构的同一退火区域先经过第二激光的光斑处进行预热，再经过第一激光的光斑处进行退火，先预热再退火，可以降低热应力形变。且随着载物台和复合激光源的相对运动，在第一激光对当前退火区域进行退火的同时，第二激光对下一退火区域进行预热，且通过激光进行预热，其升温速度大于传统炉管的预热速度，通过利用激光预热且当前区域的退火和下一区域的预热同时进行，可大大节省整体退火时间，提高退火效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于复合激光源的激光退火设备，其特征在于，包括载物台、复合激光源和移动部件，其中，
载物台用于承载待退火结构；
复合激光源包括第一激光源和第二激光源；所述第一激光源用于发射第一激光，第二激光源用于发射第二激光，所述第一激光源的功率大于所述第二激光源的功率；所述第一激光和第二激光分别入射至待退火结构表面的不同区域；
移动部件，用于使所述载物台和所述复合激光源相对运动，以使待退火结构同一退火区域先经第二激光预热后再经第一激光退火。
2.如权利要求1所述的激光退火设备，其特征在于，所述第一激光源为CO2激光器，所述第二激光源为半导体激光器。
3.如权利要求2所述的激光退火设备，其特征在于，所述复合激光源还包括整形部件，所述整形部件包括反射式积分镜和鲍威尔棱镜，其中，所述反射式积分镜用于将所述第一激光积分成线光斑，所述鲍威尔棱镜用于使所述第二激光转换为线光斑。
4.如权利要求1所述的激光退火设备，其特征在于，所述复合激光源还包括整形部件，所述整形部件包括第一菲涅尔透镜组和第二菲涅尔透镜组，每组菲涅尔透镜组包括快轴菲涅尔透镜和慢轴菲涅尔透镜，所述快轴菲涅尔透镜和慢轴菲涅尔透镜的楞互相垂直，第一菲涅尔透镜组用于使所述第一激光在快轴和慢轴两个方向均匀化，第二菲涅尔透镜组用于使所述第二激光在快轴和慢轴两个方向均匀化。
5.如权利要求1所述的激光退火设备，其特征在于，所述复合激光源还包括定位部件，所述定位部件包括第一激光光斑定位组件和第二激光光斑定位组件，所述第一激光光斑定位组件包括转角棱镜和用于支撑所述转角棱镜的调节支架，所述第一激光经转角棱镜反射后在所述待退火结构上形成第一激光光斑，所述调节支架用于调整所述转角棱镜的倾斜程度；所述第二激光光斑定位组件包括平行设置且距离可调的第二反射镜和第三反射镜，所述第二激光以45°入射角入射至所述第二反射镜，且依次经所述第二反射镜和第三反射镜反射后垂直入射至待退火结构上形成第二激光光斑。
6.如权利要求5所述的激光退火设备，其特征在于，所述定位部件还包括第一柱面镜组和第二柱面镜组，所述第一柱面镜组用于对所述第一激光进行聚焦后入射至所述第一激光光斑定位组件，所述第二柱面镜组用于对所述第三反射镜反射的第一激光进行聚焦后入射至所述待退火结构上。
7.如权利要求1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控制系统，所述控制系统用于在退火期间控制所述移动部件朝相反方向来回旋转两次，其中，第一次旋转使待退火结构同一退火区域先被第二激光照射后再被第一激光照射，第二次旋转的方向与第一次旋转的方向相反。
8.如权利要求1所述的激光退火设备，其特征在于，所述移动部件与所述载物台联动以带动载物台旋转。
9.如权利要求1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监控系统和控制系统，所述监控系统包括第一分光镜、第二分光镜、第一传感器和第二传感器，第一激光经第一分光镜分出部分光线入射至所述第一传感器，第二激光经第二分光镜分出部分光线入射至所述第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器用于根据接收到的光线分析第一激光和第二激光是否满足预设条件并反馈至控制系统。
10.一种基于复合激光源的激光退火方法，其特征在于，用权利要求1至9任一项所述的激光退火设备对置于载物台上的待退火结构进行退火，其中，移动部件与所述载物台联动以带动载物台旋转，且当以当前旋转中心旋转完成当前区域的退火后，移动移动部件以调整载物台的旋转中心，执行下一次旋转以对另一区域退火。
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