CN115527883A - 激光退火装置及激光退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光退火装置及一种激光退火方法。所述激光退火装置中，第一和第二激光单元分别提供周期相同的脉冲激光和调制波形激光，在单个周期内，调制波形激光的能量密度随时间变化且脉冲激光持续的时间小于调制波形激光持续的时间；光学单元将所述脉冲激光和所述调制波形激光至少部分重叠的投影在工件上，以对工件进行激光退火。该激光退火装置利用脉冲激光和调制波形激光相互配合以对工件进行退火，可以提高工件中杂质离子的激活率，并可以控制工件非退火面的温度。所述激光退火方法利用脉冲激光和调制波形激光相互配合以对工件进行退火。
Description
技术领域
本发明涉及激光退火领域，特别涉及一种激光退火装置及一种激光退火方法。
背景技术
传统的退火工艺是采用石英玻璃制成的退火炉进行烘烤退火，但是传统的退火工艺需要的退火时间较长且是对工件的整体进行加热，容易对工件中不需要退火的区域造成损伤。激光退火是指利用激光对工件进行退火处理的加工方法。激光退火由于在退火区域上具有可控性以及能够在较短时间内达到设定温度，因此被广泛应用于半导体工艺中。
在功率器件例如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)的制作过程中，需要对其P集电极区(距器件表面相对较浅区域)及缓冲层(距器件表面相对较深区域)中注入的硼(B)和磷(P)进行退火激活，同时需要防止器件正面的金属(例如铝)受热融化。现有的技术方案中，通过采用高能量的单绿光激光进行退火，然而这种方式要实现深层P的激活，一般其退火表面的温度往往过高，容易引起表面硼(B)注入分布的改变，同时使退火表面的粗糙度大幅增加。因此，现有的激光退火方案需要改善。另外，当使用双脉冲进行退火时，对两个激光器的最高脉冲能量都有较高的要求。
发明内容
本发明提供一种激光退火装置及一种激光退火方法，可以实现工件浅层注入的杂质离子与深层注入的杂质离子的有效激活，同时可以控制工件非退火面的温度，提高工件的性能。
一方面，本发明提供一种激光退火装置，所述激光退火装置包括：
第一激光单元，用于提供脉冲激光；
第二激光单元，用于提供调制波形激光；以及
光学单元，用于将所述脉冲激光和所述调制波形激光至少部分重叠的投影在工件上；
其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同；在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间；所述脉冲激光和所述调制波形激光相互配合以对所述工件进行退火。
可选的，所述调制波形激光的波形包括三角波形、方波形或正弦波形中的至少一种；所述调制波形激光为单个周期内能量密度均大于零的连续波形，或者为任一时刻能量密度达到零的非连续波形。
可选的，所述调制波形激光的波形包括非恒定值波形；在单个周期内，所述非恒定值波形的宽度为所述脉冲激光脉宽的50倍以上。
可选的，在单个周期内，所述调制波形激光从待机能量密度上升到峰值能量密度或是从峰值能量密度下降到待机能量密度。
可选的，在单个周期内，所述脉冲激光的能量密度为所述调制波形激光的峰值能量密度的1.5倍～30倍之间。
可选的，所述调制波形激光的待机能量密度为其峰值能量的0.02倍～0.2倍之间。
可选的，所述光学单元包括合束组件、聚焦组件、扩束准直组件以及光束整形组件；所述合束组件用于将所述脉冲激光和所述调制波形激光重叠在同一光轴上；所述聚焦组件用于接收所述合束组件输出的脉冲激光和调制波形激光并进行聚焦以在所述工件上形成光斑；所述扩束准直组件及所述光束整形组件的数量均至少为两个，所述第一激光单元和所述第二激光单元的出光光路上均设置有对应的所述扩束准直组件及所述光束整形组件；所述扩束准直组件用于将入射激光进行扩束并输出准直的激光束，所述光束整形组件用于接收所述扩束准直组件输出的激光束并进行像质调整。
可选的，所述激光退火装置还包括：
脉冲控制单元，用于产生设定频率的脉冲控制信号，所述脉冲控制信号控制所述第一激光单元按设定频率输出所述脉冲激光；
波形调制单元，用于产生设定频率的调制波形信号，所述调制波形信号控制所述第二激光单元按设定频率输出预定波形的调制波形激光；
工件台，用于承载所述工件；以及
同步控制单元，用于同步控制所述工件台、所述脉冲控制单元及所述波形调制单元，以同步控制所述第一激光单元、第二激光单元和所述工件台。
可选的，在所述脉冲控制信号和所述调制波形信号的控制下，在单个周期内，所述脉冲激光先射出且所述调制波形激光后射出，或者，所述脉冲激光和所述调制波形同时射出，或者，所述调制波形先射出且所述脉冲激光后射出。
本发明的激光退火装置中，利用脉冲激光和调制波形激光相互配合以对工件进行激光退火，其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同，在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化并且所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间，所述调制波形激光可以对所述工件的退火区域进行预热(或辅助加热)，所述脉冲激光可以对所述工件的退火区域进行快速加热。与没有调制波形激光配合的情况相比，所述脉冲激光和所述调制波形激光的相互配合可以使得工件的退火面(例如背面)及浅层区域快速达到高温(例如熔融温度)以激活浅层区域的杂质离子，而且工件的深层区域也可以达到相对较高的温度，从而可以有效提高深层注入杂质离子的激活率。同时，由于调制波形激光对工件的预热作用，在工件的浅层区域和深层区域达到杂质离子被有效激活的温度的情况下，可以降低脉冲激光的能量密度且缩短脉冲激光单个周期内持续的时间(即缩短脉冲激光的脉宽)，使得退火面的温度不会过高而导致浅层杂质离子注入分布的改变以及退火面粗糙度增加，且与深层区域具有一定距离的工件的非退火面(例如正面)的温度不会大幅提高(不容易超出熔融温度)，以达到保护工件正面器件或金属层的目的。因此，利用所述激光退火装置不仅可以实现工件浅层注入的杂质离子与深层注入的杂质离子的有效激活，提高杂质的退火激活率，还有利于控制工件退火表面(背面)和正面的温度，提高工件的性能，而且可以降低第一激光单元(即脉冲激光器)的最高脉冲能量的要求。
另一方面，本发明还提供一种激光退火方法，所述激光退火方法包括：
提供第一激光单元和第二激光单元，所述第一激光单元输出脉冲激光，所述第二激光单元输出调制波形激光；
利用光学单元将所述脉冲激光和所述调制波形激光至少部分重叠的投影在工件上；
其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同；在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间；所述脉冲激光和所述调制波形激光相互配合以对所述工件进行退火。
所述激光退火方法利用调制波形激光和脉冲激光相互配合以对工件进行退火，不仅可以实现工件浅层注入的杂质离子与深层注入的杂质离子的有效激活，提高杂质的退火激活率，而且还有利于控制工件退火面和非退火面的温度，提高工件的性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的激光退火装置的示意图。
图2a至2d为本发明一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和三角波形的调制波形激光的同步时序图。
图3a至图3b为本发明一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和方波形的调制波形激光的同步时序图。
图4a至图4b为本发明一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和正弦波形的调制波形激光的同步时序图。
图5a至图5c为本发明另一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和三角波形的调制波形激光的同步时序图。
图6为本实施例中一种功率半导体器件的杂质离子注入分布图。
图7a至图7d为利用本发明一实施例的激光退火装置在不同激光条件下对硅片进行退火的温度仿真图。
图8a至图8c为利用本发明一实施例的激光退火装置在不同激光条件下对硅片进行退火时单个周期内硅片的不同深度的温度仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的激光退火装置和激光退火方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为实现工件浅层注入的杂质离子与深层注入的杂质离子的有效激活，同时可以控制工件退火面和非退火面的温度，提高工件的性能，本实施例提供一种激光退火装置。图1为本发明一实施例的激光退火装置的示意图。所述激光退火装置用于对工件如半导体器件进行激光退火处理，如图1所示，所述装置包括第一激光单元101、第二激光单元102和光学单元。所述第一激光单元101和第二激光单元102分别用于提供脉冲激光和调制波形激光。所述光学单元用于将所述脉冲激光和所述调制波形激光至少部分重叠的投影在工件105上。其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同；在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间；所述脉冲激光和所述调制波形激光相互配合以对所述工件105进行退火。
本实施例中，所述第一激光单元101可以包括单个固体激光器，也可以包括至少两个整合后的固体激光器。所述固体激光器可以为二次谐波的固体激光器。所述第一激光单元101输出的脉冲激光的波长范围可以为510nm～540nm。所述第二激光单元102可以包括半导体激光器，例如是红外至近红外波段的半导体激光器。所述第二激光单元102输出的调制波形激光的波长范围可以为650nm～1000nm。
具体的，所述光学单元可以包括合束组件103和聚焦组件104。所述合束组件103可以用于将所述脉冲激光和所述调制波形激光重叠在同一光轴上。所述聚焦组件104可以用于接收所述合束组件103输出的脉冲激光和调制波形激光并聚焦以在所述工件105上形成光斑。
由于在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间，所述调制波形激光可以对所述工件的退火区域进行时间相对较长的预热(或辅助加热)，所述脉冲激光可以对所述工件进行时间相对较短的快速加热以使得工件的退火区域快速达到退火温度。而且，脉冲激光和调制波形激光经合束组件103合束后重叠在同一光轴上，可以投射到工件的同一位置，所述聚焦组件104将接收到的脉冲激光和调制波形激光分别聚焦形成第一光斑和第二光斑，所述第一光斑和所述第二光斑具备重叠区域，例如第一光斑和第二光斑可以是具备重叠区域的长条形光斑，两个光斑之间没有相对大小的约束。
所述光学单元还可以包括扩束准直组件106和光束整形组件107。所述扩束准直组件106及所述光束整形组件107的数量可以为一个或多个。本实施例中，所述第一激光单元101和所述第二激光单元102的出光光路上均可以设置有对应的扩束准直组件106及光束整形组件107。所述扩束准直组件106用于将入射激光(第一激光单元101输出的脉冲激光或第二激光单元102输出的调制波形激光)进行扩束并输出准直的激光束，所述光束整形组件107用于接收所述扩束准直组件106输出的激光束并进行像质调整，以提高在工件105上形成的光斑的像质，例如，可以使得光斑能量均匀且不发生形变。
如图1所示，所述激光退火装置还可以包括能量调节单元108。所述能量调节单元108可以设置在第一激光单元101与其对应的扩束准直组件106之间的光路中，用于调节第一激光单元101输出的脉冲激光的能量。
进一步的，所述激光退火装置还可以包括工件台109。所述工件台109可以用于承载工件105。较佳的，所述工件台109具有多个运动自由度，可以实现工件的高精度移动，有助于提高工件的退火质量。
本实施例中，所述激光退火装置还可以包括脉冲控制单元110、波形调制单元111和同步控制单元112。所述脉冲控制单元110可以用于产生设定频率的脉冲控制信号，所述脉冲控制信号控制所述第一激光单元101按设定频率输出所述脉冲激光。所述波形调制单元111可以用于产生设定频率的调制波形信号，所述调制波形信号控制所述第二激光单元102按设定频率输出预定波形的调制波形激光。所述同步控制单元112可以用于同步控制所述工件台109、所述脉冲控制单元110及所述波形调制单元111，以同步控制所述第一激光单元101、第二激光单元102和所述工件台109。
更具体的，第一激光单元101与第二激光单元102分别接收脉冲控制信号与调制波形信号，并分别产生预定的激光。例如，第一激光单元101在接收脉冲控制信号后，在一定的响应时间内产生脉冲激光，所述脉冲激光的能量密度和脉宽可以与脉冲控制信号的幅值及脉宽无直接关系，仅由脉冲控制信号触发第一激光单元101按预定的能量密度及脉宽输出所述脉冲激光；或者，所述脉冲激光的能量密度和脉宽可以与脉冲控制信号的幅值及脉宽是一一对应的关系，即脉冲激光的能量密度及脉宽与脉冲控制信号呈函数关系(例如线性关系)。第二激光单元102在接收到调制波形信号后，以一定的关系输出调制波形激光，所述关系可以是线性关系或其他函数关系。
根据调制波形信号，所述第二激光单元102输出的调制波形激光的波形可以包括三角波形、方形或正弦波形中的至少一种。所述调制波形激光可以为单个周期内能量密度均大于零的连续波形，或者，所述调制波形激光可以为任一时刻能量密度达到零的非连续波形。在单个周期内，所述调制波形激光可以从较低的待机能量密度上升到较高的峰值能量密度或是从较高的峰值能量密度下降到较低的待机能量密度。
图2a至2d为本发明一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和三角波形的调制波形激光的同步时序图。图3a至图3b为本发明一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和方波形的调制波形激光的同步时序图。图4a至图4b为本发明一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和正弦波形的调制波形激光的同步时序图。其中，图2a～2d、3a～3b和4a～4b中的纵坐标为能量密度，脉冲激光(laser1)的能量密度ED(Energy density)的单位为J/cm2，调制波形激光(laser2)的能量密度Q的单位为kw/cm2。
例如，调制波形激光的波形为三角波形时，在单个周期内，调制波形激光的能量密度可以线性的从0(Q0)上升到较高的峰值能量密度Ql2high(图2a和图2c所示)；也可以线性的从较高的峰值能量密度Ql2high下降到0(图2b所示)；还可以在维持一段时间的待机能量密度Ql2low后，线性的从较小的待机能量密度上升到较高的峰值能量密度(图2d所示)。
调制波形激光的波形为方形波时，如图3a所示，在单个周期内，调制波形激光(laser2)的能量密度可以从0直接上升到峰值能量密度并维持一段时间后结束，或者如图3b所示，可以从较小的待机能量密度直接上升到较高的峰值能量密度。
调制波形激光(laser2)的波形为正弦波形时，如图4a和4b所示，在单个周期内，所述调制波形激光的波形可以为1/2正弦波(如图4a所示)或1/4正弦波(如图4b所示)等。所述脉冲激光(laser1)则可以以相同的周期重复产生。
所述脉冲激光和所述调制波形激光之间具有一定的同步关系，脉冲激光与调制波形激光之间可以是正延时、零延时或负延时。在单个周期(T)内，令单个周期的起始时间点为T0，脉冲激光(laser1)的出射起始点相对T0的时间差是Delay1(即脉冲激光的延时时间)，调制波形激光(laser2)的出射起始点相对T0的时间差是Delay2(即调制波形激光的延时时间)。Delay1和Delay2之间的关系可以是：delay1<dealay2(负延时)，delay1＝delay2(零延时)，delay1>delay2(正延时)。在单个周期内，脉冲激光的持续时间为t1，调制波形激光持续的时间为t2，其中，t1小于t2，即脉冲激光的脉宽小于调制波形激光的脉宽。由于t1小于t2，且在脉冲控制信号和调制波形信号的控制下，在单个周期内，脉冲激光可以先射出且所述调制波形激光后射出，或者，所述脉冲激光和所述调制波形可以同时射出，或者，所述调制波形可以先射出且所述脉冲激光后射出。
图5a至图5c为本发明另一实施例的激光退火装置产生的脉冲激光和三角波形的调制波形激光的同步时序图。如图5a至图5c所示，以调制波形激光的波形为三角波形为例，在单个周期内，脉冲激光(laser1)的出射起始点相对T0的时间差Delay1大于调制波形激光的出射起始点相对T0的时间差Delay2，脉冲激光的持续时间t1远小于调制波形激光持续的时间t2，所述脉冲激光可以在调制波形激光停止后输出，或者脉冲激光可以在调制波形激光输出期间输出。所述调制波形激光的能量密度可以从0开始上升，也可以从较低的待机能量密度开始上升到其峰值能量密度。
利用所述激光退火装置对工件进行激光退火时，通过调整调制波形的波长、波形、能量密度、延时时间以及调整脉冲激光的波长、脉宽、能量密度、频率等，使得调制波形激光和脉冲激光可以相互配合，实现工件浅层注入的杂质离子与深层注入的杂质离子的有效激活，同时还可以控制工件非退火面的温度，提高工件的性能。
在功率半导体器件的制作过程中，可以在相对较浅的区域以较低的能量注入浓度较高的硼B，在相对较深的区域以较大的能量注入浓度相对较低的磷P。图6为本实施例中一种功率半导体器件的杂质离子注入分布图。如图6所示，从注入杂质离子的分布曲线可以看出，硼的注入深度约在0.5μm，而磷的注入深度可以达到3μm。以下以第一激光单元101为输出波长为527nm脉冲激光的固体激光器，第二激光单元102为输出波长为808nm调制波形激光的半导体激光器为例，对所述激光退火装置对厚度为100μm的待退火硅片进行退火的情况说明。
图7a至图7d为利用本发明一实施例的激光退火装置在不同激光条件下对硅片进行退火的温度仿真图。图8a至图8c为利用本发明一实施例的激光退火装置在不同激光条件下对硅片进行退火时单个周期内硅片的不同深度的温度仿真图。结合图7a～7d以及图8a～8c，以下以相同的上述硅片在不同仿真条件下的退火情况进行研究。
情况一
第一仿真条件为：脉冲激光的波长为527nm，脉宽为300ns，能量2.5J/cm2，频率5000Hz；调制波形激光不输出。第一仿真条件即为传统的单波长激光退火条件。
如图7a和图8a所示，在仅有脉冲激光对硅片进行激光退火时，硅片的温度在脉冲激光作用下急剧上升，在脉冲激光停止作用后，温度快速下降。也就是说，在仅有单一脉冲激光作用时，硅片的温度变化速度较快，没有缓冲区间。
表一为第一仿真条件下硅片不同深度的最高温度表。如表一所示，硅片在五个周期的激光作用后，在距硅片背面(退火面)0μm～1μm的深度，其温度均超过该区域的熔融温度(例如为250摄氏度)，即硅片浅层的晶格在高温作用下可以得到较大程度的修复，硅片浅层区域注入的杂质离子的激活率相对较高。而在距硅片背面3μm及以下深度的深层区域，其温度在600摄氏度以下，相对于浅层区域，只有少量的杂质离子可以被激活，即硅片深层区域注入的杂质离子的激活率相对较低。在硅片的正面(100μm的深度，即为与退火面相对的非退火面)，硅片温度在100摄氏度左右，不会对设置于硅片正面的器件或金属层造成损伤。
表一
情况二
第二仿真条件为：脉冲激光的波长为527nm、脉宽为300ns、能量密度为1.75J/cm2、频率为5000HZ；调制波形激光的波长为808nm、能量密度恒定为19kW/cm2。
如图7b所示，以第二仿真条件对硅片进行退火时，硅片整体可以被调制波形激光缓慢加热，当脉冲激光照射到硅片背面上时，硅片背面浅层区域的温度被迅速加热至熔点以上；当脉冲激光作用完毕后，硅片迅速冷却到调制波形激光单独加热时的水平(温度)，并在调制波形激光作用下继续缓慢升温，即具有缓冲区间。
表二为第二仿真条件下硅片不同深度的最高温度表。在第二仿真条件下，且在五个周期的激光作用后，如表二所示，由于增加了连续且能量密度恒定的调制波形激光，除了硅片背面(0μm)，硅片背面以下的其它区域的温度均高于采用第一仿真条件处理时的温度。具体的，对于距硅片背面的深度距离大于0μm小于等于3μm的区域，采用第二仿真条件时该区域的温度高于采用第一仿真条件处理时该区域的温度，可见，采用第二仿真条件对硅片进行退火可以提高硅片中注入的杂质离子的激活率。然而，如表二所示，硅片正片的最高温度达到了270摄氏度，高出了熔融温度(250摄氏度)，在这个温度下，硅片正面的器件及金属层受损的概率大大增加，因此，第二仿真条件即第二激光单元102持续输出能量密度均衡的调制波形激光不是对所述硅片进行激光退火的较优方案。
表二
情况三
第三仿真条件为：脉冲激光的波长为527nm、脉宽为300ns、能量密度为2J/cm2、频率为5000HZ；调制波形激光的波长为808nm、能量密度周期性的由0kW/cm2单调上升至19kW/cm2。
在第三仿真条件下，第一激光单元101和第二激光单元102输出的激光的相对时序可以如图2a所示，即第二激光单元102输出的调制波形激光的波形为三角波形，且是能量密度由0kW/cm2单调上升至19kW/cm2的三角波形。如图2a、图7c和图8b所示，由于调制波形激光(laser2)输出的能量密度单调上升，硅片背部浅层区域的温度逐渐上升，在达到调制波形激光的最高输出能量时，脉冲激光(laser1)开始输出，可以使得距硅片背面0μm～3μm深度区域的温度迅速升高至熔融温度以上；当调制波形激光和脉冲激光作用完毕时，硅片温度迅速下降；后续在调制波形激光作用下继续缓慢升温，即具有缓冲区间。
表三为第三仿真条件下硅片不同深度的最高温度表。具体的，如表三所示，在五个周期的激光作用后，对于距硅片背面0μm～1μm的深度区域，其温度与采用第一仿真条件处理时的温度相近；在距硅片背面3μm的深度区域，其温度高于采用第一仿真条件处理的温度，可见，采用第三仿真条件对所述硅片进行激光退火可以提高硅片深层区域的杂质离子激活率。而且，采用第三仿真条件对硅片进行激光退火时，硅片正面的温度控制在178摄氏度左右，低于熔融温度，可以避免激光退火对设置于硅片正面的器件和金属层的损伤，因而采用第三仿真条件对硅片进行激光退火优于采用第二仿真条件。
表三
情况四
第四仿真条件：脉冲激光的波长为527nm，脉宽为300ns，能量密度为2J/cm2，频率为5000HZ；调制波形激光的波长为808nm，能量密度周期性的由0kW/cm2单调上升至76kW/cm2。
在第四仿真条件下，第一激光单元101和第二激光单元102输出的激光的相对时序可以如图2c所示，即第二激光单元102输出的调制波形激光的波形为三角波形，且单个周期内，脉冲激光(laser1)的延时时间Delay1为0.2ms，调制波形激光(laser2)的延时时间Delay2为0.16ms，调制波形激光输出的持续时间是0.04ms。如图2c、图7d和图8c所示，由于调制波形激光(laser2)输出的能量密度单调上升，硅片背部浅层区域的温度逐渐上升，在达到调制波形激光的峰值能量密度时，脉冲激光(laser1)开始输出，可以使得距硅片背面0μm～3μm深度区域的温度迅速升高至熔融温度以上；当调制波形激光和脉冲激光作用完毕时，硅片温度迅速下降；后续在调制波形激光作用下继续缓慢升温，即具有缓冲区间。
表四为第四仿真条件下硅片不同深度的最高温度表。如表4所示，在第四仿真条件下，且在五个周期的激光作用后，与第三仿真条件相比，硅片背面0μm～3μm的深度区域达到的最高温度与第三仿真条件时基本一致，而硅片正面的温度却可以进一步降低，可见，利用第四仿真条件处理硅片优于第三仿真条件，即在一定范围内提高调制波形激光的峰值能量密度可以在实现硅片(工件例如半导体器件)内浅层注入的杂质离子与深层注入的杂质离子的有效激活(杂质离子激活率较高)的同时，还可以控制硅片非退火面(正面)的温度，避免设置于硅片正面的器件和金属层受损，提高工件的性能。
表四
根据上述四种仿真条件测试的结果可知，使用调制波形激光和脉冲激光共同对工件进行退火，可以提高工件中杂质离子的激活率；当使用能量密度连续变化的调制波形激光配合脉冲激光对工件进行激光退火时，相较于能量密度恒定的调制波形激光，不仅可以提高工件中杂质离子的激活率，还可以控制工件退火面和非退火面的温度，使得退火面的温度不容易过高导致工件浅层区域中杂质离子(例如硼离子)注入分布的改变，同时使得非退火面(例如正面)的温度也不会过高，可以避免设置于硅片正面的器件和金属层受损。进一步的，在一定范围内适当的提高调制波形的峰值能量密度并在单个周期内调整调制波形激光的延时时间(相对于周期起始时间T0的时间差Delay2)，可以在其它区域的温度变化较小的情况下进一步降低工件非退火面的温度。
情况五
第五仿真条件为：脉冲激光的波长为527nm，脉宽为300ns，能量密度为2J/cm2，频率为5000HZ；调制波形激光的波长为808nm，在单个周期内能量密度由Ql2low至Ql2high单调上升，Ql2low为待机能量，Ql2high为峰值能量。
上述主要是介绍调制波形激光为非连续波形(单个周期内任一时刻能量达到0)的情况，下面介绍调制波形激光为连续波形(单个周期内能量均大于零)的情况。
如图2d所示，所述调制波形激光除了包括三角波形部分，还可以包括能量密度恒定的待机能量密度Ql2low，其中，所述待机能量密度可以为一定值，也可以与时间成函数关系(即待机能量是一个随时间变化的函数信号)。以下以调制波形激光为连续性的三角波形且待机能量为一定值为例进行说明。
具体的，在第五仿真条件下，脉冲激光(laser1)单个周期的延时时间Delay1(相对于单个周期的起始时间T0的时间差)为0.2ms，调制波形激光(laser2)单个周期的延时时间Delay2(相对于单个周期的起始时间T0的时间差)为0.16ms，调制波形激光输出的持续时间是0.04ms，脉冲激光在调制波形激光达到峰值输出时输出。
表五为第五仿真条件下硅片不同深度的最高温度表。如表五所示，第二激光单元102以连续模式(调制波形激光为连续波形)增加一定的待机能量密度时，在五个激光周期作用后，硅片背面0μm～3μm的深度区域达到的最高温度均较大幅度的超过熔融温度(250摄氏度)，可以使得硅片中注入的杂质离子的激活率较高，而且硅片正面的温度均相对较低(低于熔融温度)，可以避免激光退火对设置于硅片正面的器件和金属层的影响，提高工件的性能。此外，对比第五仿真条件的测试结果和第四仿真条件的测试结果(对比表四和表五)可知，调制波形激光增加较小的待机能量时，可以降低调制波形激光的峰值能量密度(表五中Ql2high均低于76kW/cm2)，且可以达到上述第四仿真条件下较优的退火效果。
表五
本实施例中，脉冲激光和调制波形激光单个周期内的能量密度可以用控制波形函数定义。
例如，脉冲激光(laser1)和调制波形激光(laser2)的能量可以表示为：
fl1(t+T)＝fl1(t)，
其中，EDl1为脉冲激光的能量密度，delay1为单个周期内脉冲激光的出射起始点相对于周期起始时间点T0的时间差，t1为单个周期内脉冲激光的持续时间，T为重复周期；
Laser2：
fl2(t+T)＝fl2(t)，
或laser2：
fl2(t+T)＝fl2(t)，
其中，Ql2high为调制波形激光的峰值能量密度，delay2为单个周期内调制波形激光相对于周期起始时间点T0的时间差，t2为单个周期内调制波形激光中非定值波形(例如三角波形)的持续时间，T为重复周期。
情况六
第六仿真条件为：脉冲激光的波长为527nm、脉宽为300ns、能量密度为2.5J/cm2、频率为5000HZ；调制波形激光的波长为808nm、能量密度恒定为38kW/cm2、单个周期内的宽度(即持续输出时间)为0.015ms。
表六为第六仿真条件下硅片不同深度的最高温度表。在第六仿真条件下，且在五个周期的激光作用后，如表六所示，对于距硅片背面0μm～0.5μm的深度区域，其温度与采用第一至第四仿真条件处理的温度相接近，距硅片背面1μm～3μm的深度区域温度相对较低(但均高于熔融温度)。而值得注意的是，在第六仿真条件下，硅片正面(100μm)的温度仅为26摄氏度，因此，该仿真条件对硅片正面的保护效果较好。
表六
根据仿真测试和上述函数关系式可知，利用所述激光退火装置进行激光退火时，脉冲激光和调制波形激光的优选参数组合是：
1.单个周期内，调制波形激光中非恒定值波形的宽度Pw2(即调制波形激光中非定值波形的持续时间)为脉冲激光脉宽Pw1(即脉冲激光的持续时间)的50倍以上，即Pw2>50*Pw1。
2.单个周期内，脉冲激光能量密度ED11为调制波形激光的峰值能量密度Ql2high的1.5倍至35倍之间，其中，调制波形激光为非连续波形。
3.在单个周期内，脉冲激光的能量密度ED11为调制波形激光的峰值能量密度Ql2high的1.5倍至30倍之间，调制波形激光的待机能量密度Ql2low为其峰值能量密度Ql2high的0.02倍至0.2倍之间。
综合上述，本实施例的激光退火装置包括第一激光单元101、第二激光单元102和光学单元。所述第一激光单元101和第二激光单元102分别用于提供脉冲激光和调制波形激光，所述脉冲激光和所述调制波形激光经过所述光学单元后投影在工件上。其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同；在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间。所述调制波形激光可以对所述工件105的退火区域进行预热(或辅助加热)，所述脉冲激光可以对所述工件105的退火区域进行快速加热，与没有调制波形激光配合的情况相比，所述脉冲激光和所述调制波形激光的相互配合可以使得工件的退火面(例如背面)及浅层区域快速达到高温(熔融温度)以激活浅层区域的杂质离子，而且工件的深层区域也可以达到相对较高的温度，从而可以有效提高深层注入杂质离子的激活率。同时，由于调制波形激光对工件的预热作用，在工件的浅层区域和深层区域达到杂质离子被有效激活的温度的情况下，可以降低脉冲激光的能量密度且缩短脉冲激光单个周期内持续的时间(即缩短脉冲激光的脉宽)，使得退火面的温度不会过高而导致浅层杂质离子注入分布的改变以及退火面粗糙度增加，且与深层区域具有一定距离的工件的非退火面(例如正面)的温度不会大幅提高(不容易超出熔融温度)，以达到保护工件正面器件或金属层的目的。因此，利用所述激光退火装置不仅可以实现工件浅层注入的杂质离子与深层注入的杂质离子的有效激活，提高杂质的退火激活率，而且还有利于控制工件退火面和非退火的温度，提高工件的性能。
本实施例还提供一种激光退火方法，所述激光退火方法可以利用上述激光退火装置对工件进行激光退火。
所述激光退火方法中，首先，第一激光单元101输出脉冲激光，第二激光单元102输出调制波形激光；然后，利用光学单元将所述脉冲激光和所述调制波形激光至少部分重叠的投影在工件105上。其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同；在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间；所述脉冲激光和所述调制波形激光相互配合以对所述工件105进行退火。
所述光学单元可以包括合束组件103和聚焦组件104。在将所述脉冲激光和所述调制波形激光投影到所述工件105退火面上的过程中，利用合束组件103将所述脉冲激光和所述调制波形激光重叠在同一光轴上，再利用聚焦组件104接收所述合束组件103输出的脉冲激光和调制波形激光并进行聚焦以在工件105上形成光斑。
所述激光退火方法利用调制波形激光和脉冲激光相互配合以对工件进行退火，不仅可以实现工件浅层注入与深层注入杂质离子的有效激活，提高杂质的退火激活率，而且还有利于控制工件背面的温度，提高工件的性能。
需要说明的是，本说明书中实施例采用递进的方式描述，在后描述的方法重点说明的都是与在前描述的装置的不同之处，各个部分之间的相同和相似之处互相参见即可。对于实施例公开的激光退火方法而言，由于与实施例公开的激光退火装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光退火装置，其特征在于，激光退火装置包括：
第一激光单元，用于提供脉冲激光；
第二激光单元，用于提供调制波形激光；以及
光学单元，用于将所述脉冲激光和所述调制波形激光至少部分重叠的投影在工件上；
其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同；在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间；所述脉冲激光和所述调制波形激光相互配合以对所述工件进行退火。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述调制波形激光的波形包括三角波形、方波形或正弦波形中的至少一种；所述调制波形激光为单个周期内能量密度均大于零的连续波形，或者为任一时刻能量密度达到零的非连续波形。
3.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述调制波形激光的波形包括非恒定值波形；在单个周期内，所述非恒定值波形的宽度为所述脉冲激光脉宽的50倍以上。
4.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，在单个周期内，所述调制波形激光从待机能量密度上升到峰值能量密度或是从峰值能量密度下降到待机能量密度。
5.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于，在单个周期内，所述脉冲激光的能量密度为所述调制波形激光的峰值能量密度的1.5倍～30倍之间。
6.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于，所述调制波形激光的待机能量密度为其峰值能量的0.02倍～0.2倍之间。
7.如权利要求1至6任意一项所述的激光退火装置，其特征在于，所述光学单元包括合束组件、聚焦组件、扩束准直组件以及光束整形组件；所述合束组件用于将所述脉冲激光和所述调制波形激光重叠在同一光轴上；所述聚焦组件用于接收所述合束组件输出的脉冲激光和调制波形激光并进行聚焦以在所述工件上形成光斑；所述扩束准直组件及所述光束整形组件的数量均至少为两个，所述第一激光单元和所述第二激光单元的出光光路上均设置有对应的所述扩束准直组件及所述光束整形组件；所述扩束准直组件用于将入射激光进行扩束并输出准直的激光束，所述光束整形组件用于接收所述扩束准直组件输出的激光束并进行像质调整。
8.如权利要求1至6任意一项所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光退火装置还包括：
脉冲控制单元，用于产生设定频率的脉冲控制信号，所述脉冲控制信号控制所述第一激光单元按设定频率输出所述脉冲激光；
波形调制单元，用于产生设定频率的调制波形信号，所述调制波形信号控制所述第二激光单元按设定频率输出预定波形的调制波形激光；
工件台，用于承载所述工件；以及
同步控制单元，用于同步控制所述工件台、所述脉冲控制单元及所述波形调制单元，以同步控制所述第一激光单元、第二激光单元和所述工件台。
9.如权利要求8所述的激光退火装置，其特征在于，在所述脉冲控制信号和所述调制波形信号的控制下，在单个周期内，所述脉冲激光先射出且所述调制波形激光后射出，或者，所述脉冲激光和所述调制波形同时射出，或者，所述调制波形先射出且所述脉冲激光后射出。
10.一种激光退火方法，其特征在于，所述激光退火方法包括：
提供第一激光单元和第二激光单元，所述第一激光单元输出脉冲激光，所述第二激光单元输出调制波形激光；以及
利用光学单元将所述脉冲激光和所述调制波形激光至少部分重叠的投影在工件上；
其中，所述脉冲激光和所述调制波形激光的重复周期相同；在单个周期内，所述调制波形激光的能量密度随时间变化，所述脉冲激光持续的时间小于所述调制波形激光持续的时间；所述脉冲激光和所述调制波形激光相互配合以对所述工件进行退火。
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