CN115407518A - 矩形平顶光斑的发生系统、方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种矩形平顶光斑的发生系统、方法及设备，该系统包括：第一衍射光学元件、第一聚焦元件、第二衍射光学元件和第二聚焦元件，第一衍射光学元件为多台阶的刻蚀结构，所述第二衍射光学元件为单台阶的刻蚀结构。第一衍射光学元件用于接受高斯光束的照射，并将高斯光束转化为第一匀化方形光斑。第一聚焦元件用于接受第一匀化方形光斑的照射，并将第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑。第二衍射光学元件用于接受第二匀化方形光斑的照射，并将第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束。第二聚焦元件，用于接受多个匀化光束的照射，并将多个匀化光束转化为矩形平顶光斑。该系统能够降低成本和加工难度，提高实用性。

Description

矩形平顶光斑的发生系统、方法及设备

技术领域

本发明涉及半导体集成电路退火领域，具体而言，涉及一种矩形平顶光斑的发生系统、方法及设备。

背景技术

当前，集成电路特征尺寸不断缩小，涉及到的材料种类也越来越多，所使用的器件结构也越来越复杂。传统的热处理方式比如炉管退火、快速热处理技术等均为“整体退火方式”（即样片整体位于加热环境中），因此样片所有区域的温度与退火环境温度相同。整体退火方式在当前面临着诸多问题，包括：1，整体退火易对低熔点材料造成热损伤；2，整体退火易造成材料的层内扩散；3，整体退火易造成材料的层间扩散；4，整体退火易引入引力，导致材料出现起皮、翘曲甚至衬底破碎等现象。

为了解决以上问题，人们开发了激光退火工艺。所谓激光退火工艺，是指使用合适波长、合适脉宽、合适形状及尺寸、合适能量密度的激光光束照射材料表面，材料吸收激光能量吸收后温度升高达以到退火目的。

通常，激光器输出的光斑为高斯光束。高斯光束的强度分布为中间强，往外沿着高斯轮廓逐渐下降。由于高斯光束不均匀的能量分布，如果应用高斯光束照射材料表面，则会导致材料中心区域过度加工，外围区域欠加工的问题，甚至会出现中间烧蚀破坏半导体材料的情况。因此，需要一个能量分布均匀的光斑来加工材料，以保证加工工艺的均匀性和稳定性。并且能量均匀的光斑还可以减小工艺过程中的重叠，缩短工艺处理时间，提升效率。同时在激光器能量足够的条件下，即在满足能量密度（能量密度=激光器功率÷光斑面积）所需的条件下，光斑面积越大，那么每次扫描区域越大，从而扫完整个半导体片子的时间就越短，设备的产能就会越高。

为了解决上述问题，人们将关注点聚焦在如何将高斯光束转化为平顶光斑，以及如何实现更为合适的光斑面积，以提高加工速度和效率。当前，衍射光学元件（DiffractiveOptical Element，DOE）作为常用的产生聚焦平顶光斑的方法，其原理是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并且利用超大规模集成电路制作工艺，在基片上刻蚀产生两个或者多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位，同轴再现等一系列的光束变换。然而，用衍射光学元件实现聚焦平顶光斑，在设计生产的过程中，为了实现较高的衍射转化效率，需要多台阶的刻蚀工艺，其加工难度和加工良率都会随着台阶数的增加而指数级增长。也即是说，衍射光学元件因其多台阶加工复杂而成本高昂，并且二单个的衍射光学元件只能满足唯一的一个光束变换需求。因此，在面对复杂多变的应用场景时，对于不同需求都需要特制一个多台阶的衍射光学元件，存在着因更换多台阶的衍射光学元件而成本高昂的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矩形平顶光斑的发生系统、方法及设备，能够生成矩形平顶光斑，并且简化矩形平顶光斑的可调谐的实现方式，从而降低成本和加工难度，提高实用性。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种矩形平顶光斑的发生系统。第一方面所述的系统包括：第一衍射光学元件、第一聚焦元件、第二衍射光学元件和第二聚焦元件，所述第一衍射光学元件为多台阶的刻蚀结构，所述第二衍射光学元件为单台阶的刻蚀结构；其中；所述第一衍射光学元件，用于接受高斯光束的照射，并将所述高斯光束转化为第一匀化方形光斑；所述第一聚焦元件，用于接受所述第一匀化方形光斑的照射，并将所述第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑；所述第二衍射光学元件，用于接受所述第二匀化方形光斑的照射，并将所述第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束；所述第二聚焦元件，用于接受所述多个匀化光束的照射，并将所述多个匀化光束转化为矩形平顶光斑。

在本发明的可选实施例中，所述第二衍射光学元件为可替换元件；其中，在所述第二衍射光学元件被替换为另一个结构特征不同的第二衍射光学元件时，所述矩形平顶光斑的长宽比改变。

在本发明的可选实施例中，所述第二衍射光学元件包括达曼光栅。

在本发明的可选实施例中，所述第二衍射光学元件的位置与所述第二聚焦元件的前焦面的位置匹配，所述矩形平顶光斑的位置与所述第二聚焦元件的焦平面的位置匹配。

在本发明的可选实施例中，所述第一聚焦元件的主光轴与所述第二聚焦元件的主光轴位置相同，所述第一衍射光学元件位于第一平面，所述第二衍射光学元件位于第二平面，所述第一平面和所述第二平面均与所述主光轴垂直。

第二方面，本发明提供一种矩形平顶光斑的发生方法，应用于矩形平顶光斑的发生系统，所述发生系统包括：第一衍射光学元件、第一聚焦元件、第二衍射光学元件和第二聚焦元件，所述第一衍射光学元件为多台阶的刻蚀结构，所述第二衍射光学元件为单台阶的刻蚀结构。第二方面所述的方法包括：所述第一衍射光学元件接受高斯光束的照射，并将所述高斯光束转化为第一匀化方形光斑；所述第一聚焦元件接受所述第一匀化方形光斑的照射，并将所述第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑；所述第二衍射光学元件接受所述第二匀化方形光斑的照射，并将所述第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束；所述第二聚焦元件接受所述多个匀化光束的照射，并将所述多个匀化光束转化为矩形平顶光斑。

在本发明的可选实施例中，所述第二衍射光学元件为可替换元件；其中，在所述第二衍射光学元件被替换为另一个结构特征不同的第二衍射光学元件时，所述矩形平顶光斑的长宽比改变。

在本发明的可选实施例中，所述第二衍射光学元件包括达曼光栅。

在本发明的可选实施例中，所述第二衍射光学元件的位置与所述第二聚焦元件的前焦面的位置匹配，所述矩形平顶光斑的位置与所述第二聚焦元件的焦平面的位置匹配。

在本发明的可选实施例中，所述第一聚焦元件的主光轴与所述第二聚焦元件的主光轴位置相同，所述第一衍射光学元件位于第一平面，所述第二衍射光学元件位于第二平面，所述第一平面和所述第二平面均与所述主光轴垂直。

第三方面，本申请提供一种矩形平顶光斑的发生设备，包括高斯光束生成器、控制器和第一方面所述的矩形平顶光斑的发生系统；所述控制器，用于控制所述高斯光束生成器生成高斯光束，并使得所述高斯光束向所述系统照射。

相较于现有的矩形平顶光斑的发生系统，本发明实施例提供的矩形平顶光斑的发生系统中，利用该系统包括的多个元件可以将高斯光束转化为矩形平顶光斑，从而实现矩形平顶光斑的生成。并且，由于第二衍射光学元件的结构复杂程度低于第一衍射光学元件的结构复杂程度，也即是说，在面对复杂多变的应用场景时，只需要改变结构复杂程度更低的第二衍射光学元件即可实现对矩形平顶光斑进行调谐，从而能够简化矩形平顶光斑的可调谐的实现方式，从而降低成本和加工难度，提高实用性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种矩形平顶光斑的发生系统的结构示意图；

图2为原始激光器输出的高斯光束的能量分布图；

图3为经过第一衍射光学元件、第一聚焦元件和第二聚焦元件输出的方形光斑的能量分布图；

图4为本申请实施例提供的一种矩形平顶光斑的发生方法的流程示意图。

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

本申请实施例提供一种技术方案，该技术方案包括“矩形平顶光斑的发生系统”、应用于该系统的“矩形平顶光斑的发生方法”和“矩形平顶光斑的发生设备”。下面将结合附图，对本申请提供的技术方案进行说明。

首先，介绍本申请实施例提供的一种矩形平顶光斑的发生系统。图1为本申请实施例提供的一种矩形平顶光斑的发生系统的结构示意图，请参照图1。该矩形平顶光斑的发生系统100（下文简称为系统100）包括：第一衍射光学元件110、第一聚焦元件120、第二衍射光学元件130和第二聚焦元件140。

下面结合图1对该系统100中的各个元件进行具体说明。

在本申请实施例提供的系统100中，第一衍射光学元件110，用于接受高斯光束的照射，并将高斯光束转化为第一匀化方形光斑。其中，第一衍射光学元件110用于对高斯光束进行相位调制，生成匀化方形光斑，从而实现将高斯光束转化为第一匀化方形光斑。

第一聚焦元件120，用于接受第一匀化方形光斑的照射，并将第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑。其中，第一聚焦元件120用于对第一匀化方形光斑进行聚焦，以将第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑。换句话说，第一聚焦元件120通过聚焦的功能调整了第一匀化方形光斑的方向，将其转化为平行的匀化方形光斑（也即是第二匀化方形光斑）。

可以理解，第一衍射光学元件110出射的第一匀化方形光斑通常是发散的，如果不对此进行处理将会导致最终形成的矩形平顶光斑的能量不均匀。通过在第一衍射光学元件110之后设置第一聚焦元件120，将第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑，以此使得入射到第二衍射光学元件130的光束为平行光束，进而使得最终形成的矩形平顶光斑的能量更加均匀。换言之，在第一衍射光学元件110之后设置第一聚焦元件120，能够使得最终形成的矩形平顶光斑的能量更加均匀。

第二衍射光学元件130，用于接受第二匀化方形光斑的照射，并将第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束。其中，第二衍射光学元件130用于对第二匀化方形光斑进行衍射，生成多个匀化光束，从而实现将第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束。

其中，第二衍射光学元件130的结构复杂程度低于第一衍射光学元件110的结构复杂程度。可选的，第一衍射光学元件110为多台阶的刻蚀结构，第二衍射光学元件130为单台阶的刻蚀结构。如此，在面对复杂多变的应用场景时，只需要改变结构复杂程度更低的第二衍射光学元件130即可实现对矩形平顶光斑进行调谐，从而能够简化矩形平顶光斑的可调谐的实现方式，从而降低成本和加工难度，提高实用性。

第二聚焦元件140，用于接受多个匀化光束的照射，并将多个匀化光束转化为矩形平顶光斑。可选的，第二聚焦元件140可以是指一个聚焦镜组，该聚焦镜组中可以包括一个或多个聚焦透镜以及其他可能的透镜，这些透镜组合起来能够实现对光束进行聚焦的功能，从而实现上述的第二聚焦元件140的功能。类似的，第一聚焦元件120可以是指一个柱面镜组，相关说明与聚焦镜组类似，在此不再赘述。

在可选的实施例中，第一聚焦元件120的主光轴与第二聚焦元件140的主光轴位置相同，第一衍射光学元件110位于第一平面，第二衍射光学元件130位于第二平面，第一平面和第二平面均与主光轴垂直。换句话说，第一衍射光学元件110、第一聚焦元件120、第二衍射光学元件130和第二聚焦元件140这四个元件按图1所示顺序依次排列设置。另外，第一衍射光学元件110、第一聚焦元件120、第二衍射光学元件130和第二聚焦元件140这四个元件可以位于同一个轴线上。

在可选的实施例中，第二衍射光学元件130的位置与第二聚焦元件140的前焦面的位置匹配，矩形平顶光斑的位置与第二聚焦元件140的焦平面的位置匹配。其中，上述的匹配，例如，第二衍射光学元件130的位置与第二聚焦元件140的前焦面的位置匹配，可以是指：第二衍射光学元件130的位置与前焦面重合（也称为一致）；或者，第二衍射光学元件130的位置与前焦面的位置之间的距离小于预设值，该预设值可以被设置为误差允许值（比如2毫米），也即是说，第二衍射光学元件130与前焦面在误差允许的范围内重合。

在可选的实施例中，第二衍射光学元件130为可替换元件。其中，在第二衍射光学元件130被替换为另一个结构特征不同的第二衍射光学元件130时，矩形平顶光斑的长宽比改变。

例如，预先制作多个结构特征不同的第二衍射光学元件130，对于不同的需求，更换系统100中的第二衍射光学元件130，以改变矩形平顶光斑的长宽比。其中，第二衍射光学元件130的结构特征包括光栅周期和光栅周期内的相位突变点位。其中，光栅周期可以决定第二衍射光学元件130分束的角间隔θ，光栅周期内的相位突变点位（也称为光栅结构）可以决定分束的点数，即2n+1。

在可选的实施例中，第二衍射光学元件130包括达曼光栅。可以理解，由于达曼光栅是一个简单高效的分束的元件，制作简单。在面对复杂多变的应用场景时，只需要更换不同结构特征的达曼光栅即可实现对矩形平顶光斑进行调谐，从而能够简化矩形平顶光斑的可调谐的实现方式，从而克服了以往针对不同需求都需要特制一个多台阶衍射光学元件的缺陷，极大的减轻了加工的成本，也提高了系统的实用性。

为了使得本申请提供的系统100更加容易理解，下面从光学原理角度出发再对上述系统实施例做进一步说明。

对于一个高斯光束，为了将其转化为一个平行出射的矩形平顶光斑。首先，将其经过第一衍射光学元件110进行相位调制，产生第一匀化方形光斑。然后，第一匀化方形光斑射入第一聚焦元件120，以确保出射的匀化光斑为平行出射，即平行出射的第二匀化方形光斑。

在此过程中，第一衍射光学元件110的结构设计方式可以包括：根据G-S迭代算法，根据入射光斑分布（高斯分布）和出射的光斑分布（记为边长为a的匀化光斑），通过对相位项迭代替代的方法得到第一衍射光学元件110的相位结构，再对此相位结构进行二值台阶化处理，得到多台阶（例如，8台阶或者16台阶）结构。其中，具体的迭代算法如下：

步骤1，用初始相位和已知输入面光场的振幅，做傅里叶变换，得到一个振幅和相位项。

步骤2，保持相位信息不变，将目标光振幅取代傅里叶变换所得到的振幅，相位保持不变。

步骤3，对得到的新光场信息做傅里叶逆变换，得到新的振幅和相位项。将相位项变成初始相位，振幅项不变，做步骤1的变换。如此循环下去，得到最终相位项，即为第一衍射光学元件110的相位信息，多值台阶化后，根据波长算出微结构和刻蚀深度。

请参照图2和图3，图2为原始激光器输出的高斯光束的能量分布图，图3为经过第一衍射光学元件110、第一聚焦元件120和第二聚焦元件140输出的方形光斑的能量分布图。通过上述光学系统（第一衍射光学元件110和第一聚焦元件120）得到的平行出射的第二匀化方形光斑，边长为a，如果直接经过焦距为f的第二聚焦元件140，其在焦平面得到的聚焦匀化方形光斑边长大小为：

；

其中，

为第二聚焦元件140的焦距，λ为入射光波长，此公式满足衍射极限。

可以看出，经过第一衍射光学元件110、第一聚焦元件120和第二聚焦元件140，已经能够实现将高斯光束转化为矩形平顶光斑。

为了实现在第二聚焦元件140焦平面内实现可调长宽的矩形平顶光斑，则需要将上述方形光斑复制分束成若干个，且严格控制这些分束光斑的间距，使其边界对齐，组合形成矩形聚焦光斑。第二衍射光学元件130用于实现此功能。以下以第二衍射光学元件130为达曼光栅为例进行说明。

达曼光栅作为一个简单高效的分束的元件，制作简单，可以通过控制其光栅周期内相位突变点位来实现激光分束的点数，以及可以通过控制光栅周期d来调整这些分束光束的角间隔。其中，光栅周期d和各点之间的角间隔θ满足光栅方程：d*sinθ=λ。达曼光栅出射的光束阵列（假设分成2n+1束光束，沿着x轴展开），进入焦距为f的聚焦镜（即第二聚焦元件140）。由于达曼光栅位于聚焦镜的前焦面处，则出射的光束为平行光，为2n+1个相互平行的光束，光束之间的间距为：fθ。当满足条件：

时（

为第二聚焦元件140的焦距），各个分束光斑边缘刚好对齐，组成一个新的矩形光斑，其长宽比为2n+1（其中长为：（2n+1）*Δ，宽为Δ）。

综上，利用一个多台阶的第一衍射光学元件110和一个单台阶的第二衍射光学元件130以及结合各自的聚焦系统（包括第一聚焦元件120和第二聚焦元件140）的组合形式，能够发生矩形平顶光斑（也称为矩形平顶聚焦光斑），且可以通过更换仅为单台阶的第二衍射光学元件130（达曼光栅）实现不同长宽比的矩形平顶聚焦光斑，克服了以往不同需求都需要特制一个多台阶衍射光学元件的缺陷，极大的减轻了加工的成本，也提高了系统的实用性。

在图1示出的系统100的基础上，本申请实施例还提供一种矩形平顶光斑的发生方法，可以应用于上述系统100。请参见图4，图4为本申请实施例提供的一种矩形平顶光斑的发生方法的流程示意图。该方法可以包括以下步骤S110~S140。

S110，第一衍射光学元件110接受高斯光束的照射，并将高斯光束转化为第一匀化方形光斑。

S120，第一聚焦元件120接受第一匀化方形光斑的照射，并将第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑。

S130，第二衍射光学元件130接受第二匀化方形光斑的照射，并将第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束。

S140，第二聚焦元件140接受多个匀化光束的照射，并将多个匀化光束转化为矩形平顶光斑。

应理解，S110~S140各个步骤的相关说明和效果可以参照上述系统100的各个实施例中的相关描述，在此不再赘述。

本申请实施例还提供了一种矩形平顶光斑的发生设备。该设备可以包括高斯光束生成器、控制器和上述各个实施例中所描述的系统100。该高斯光束发生器例如可以是激光发生器。该控制器可以用于控制高斯光束生成器生成高斯光束，并使得高斯光束向系统100照射。这样，系统100中的第一衍射光学元件110可以接受到该高斯光束，并通过第一聚焦元件120、第二衍射光学元件130和第二聚焦元件140将该高斯光束转化为矩形平顶光斑。

应理解，关于矩形平顶光斑的发生设备更具体的说明和效果可以参照上述系统100的各个实施例中的相关描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种矩形平顶光斑的发生系统，其特征在于，包括：第一衍射光学元件、第一聚焦元件、第二衍射光学元件和第二聚焦元件，所述第一衍射光学元件为多台阶的刻蚀结构，所述第二衍射光学元件为单台阶的刻蚀结构；其中，所述第一衍射光学元件，用于接受高斯光束的照射，并将所述高斯光束转化为第一匀化方形光斑；

所述第一聚焦元件，用于接受所述第一匀化方形光斑的照射，并将所述第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑；

所述第二衍射光学元件，用于接受所述第二匀化方形光斑的照射，并将所述第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束；

所述第二聚焦元件，用于接受所述多个匀化光束的照射，并将所述多个匀化光束转化为矩形平顶光斑。

2.根据权利要求1所述的矩形平顶光斑的发生系统，其特征在于，所述第二衍射光学元件为可替换元件；

其中，在所述第二衍射光学元件被替换为另一个结构特征不同的第二衍射光学元件时，所述矩形平顶光斑的长宽比改变。

3.根据权利要求2所述的矩形平顶光斑的发生系统，其特征在于，所述第二衍射光学元件包括达曼光栅。

4.根据权利要求1所述的矩形平顶光斑的发生系统，其特征在于，所述第二衍射光学元件的位置与所述第二聚焦元件的前焦面的位置匹配，所述矩形平顶光斑的位置与所述第二聚焦元件的焦平面的位置匹配。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的矩形平顶光斑的发生系统，其特征在于，所述第一聚焦元件的主光轴与所述第二聚焦元件的主光轴位置相同，所述第一衍射光学元件位于第一平面，所述第二衍射光学元件位于第二平面，所述第一平面和所述第二平面均与所述主光轴垂直。

6.一种矩形平顶光斑的发生方法，其特征在于，应用于矩形平顶光斑的发生系统，所述发生系统包括：第一衍射光学元件、第一聚焦元件、第二衍射光学元件和第二聚焦元件，所述第一衍射光学元件为多台阶的刻蚀结构，所述第二衍射光学元件为单台阶的刻蚀结构；

其中，所述矩形平顶光斑的发生方法包括：

所述第一衍射光学元件接受高斯光束的照射，并将所述高斯光束转化为第一匀化方形光斑；

所述第一聚焦元件接受所述第一匀化方形光斑的照射，并将所述第一匀化方形光斑转化为平行出射的第二匀化方形光斑；

所述第二衍射光学元件接受所述第二匀化方形光斑的照射，并将所述第二匀化方形光斑转化为多个匀化光束；

所述第二聚焦元件接受所述多个匀化光束的照射，并将所述多个匀化光束转化为矩形平顶光斑。

7.根据权利要求6所述的矩形平顶光斑的发生方法，其特征在于，所述第二衍射光学元件为可替换元件；

其中，在所述第二衍射光学元件被替换为另一个结构特征不同的第二衍射光学元件时，所述矩形平顶光斑的长宽比改变。

8.根据权利要求7所述的矩形平顶光斑的发生方法，其特征在于，所述第二衍射光学元件包括达曼光栅。

9.一种矩形平顶光斑的发生设备，其特征在于，包括高斯光束生成器、控制器和如权利要求1-5中任一项所述的矩形平顶光斑的发生系统；

所述控制器，用于控制所述高斯光束生成器生成高斯光束，并使得所述高斯光束向所述矩形平顶光斑的发生系统照射。

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