CN116184681A - 二氧化碳激光的光束整形设备以及光束整形方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种二氧化碳激光的光束整形设备以及光束整形方法，属于光学技术领域。该光束整形设备包括沿激光光束的入射方向依次设置的第一镜组、偏振调节系统、第二镜组、积分镜、AOI模组和短轴聚焦模组；其中，第一镜组包括对称设置的凹面形离轴抛物镜和凸面形离轴抛物镜；偏振调节系统包括沿激光光束的入射方向设置的半波片和薄膜偏振器；第二镜组包括对称设置的凸面形柱面镜和凹面形柱面镜。通过该光束整形设备以及方法将高斯分布的二氧化碳激光光束整形为线形平顶光束，线性光斑均匀性提升，同时对激光功率利用率可提高至80%以上，从而降低能耗及维护成本，并提高装备稳定性及可靠性。

Description

二氧化碳激光的光束整形设备以及光束整形方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种二氧化碳激光的光束整形设备以及光束整形方法。

背景技术

在集成电路制造过程中，超低能杂质注入激活以及沟道应力调制是关键工艺之一，目前业界多通过二氧化碳激光退火技术及装备实现。二氧化碳激光光束经光路整形为一定尺寸及长宽比的线形平顶光束照射到晶圆表面后，晶圆吸收激光能量后表面温度短时间内急剧升高。因此，整形后光斑的均匀性会直接影响到温度的均匀性，从而影响工艺效果。

通常二氧化碳激光器输出光束形状为圆形，能量呈高斯分布，如不整形直接用于激光退火工艺，则不能满足集成电路领域对工艺均匀性、重复性的要求。已报道的二氧化碳激光退火装备中，将激光器输出光束扩束后，利用软边光阑截取光斑分布较为均匀的一部分，聚焦后照射到晶圆表面进行加工(公开号为CN106373909A 专利名称为使用锯齿状空间滤光片的高效线形成光学系统及方法)。此方法对激光的功率利用率较低(一般＜40%)，因此必须使用较大功率的激光器才能满足工艺需求；同时，此方法对二氧化碳激光器输出光斑质量要求高，光学系统复杂且不利于工艺及装备的稳定性。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明公开了一种二氧化碳激光的光束整形设备以及方法，该光束整形设备以及方法将高斯分布的二氧化碳激光光束整形为线形平顶光束，线性光斑均匀性提升，同时对激光功率利用率可提高至80%以上，从而降低能耗及维护成本，并提高装备稳定性及可靠性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，本申请提供一种二氧化碳激光的光束整形设备，其包括沿激光光束的入射方向依次设置的第一镜组、偏振调节系统、第二镜组、积分镜、AOI模组和短轴聚焦模组；

第一镜组包括对称设置的凹面形离轴抛物镜和凸面形离轴抛物镜，且凹面形离轴抛物镜靠近激光光束的入射方向；

偏振调节系统包括沿激光光束的入射方向设置的半波片和薄膜偏振器；

第二镜组包括对称设置的凸面形柱面镜和凹面形柱面镜，且凸面形柱面镜靠近激光光束的入射方向；

积分镜为7~10段分割的积分镜；

AOI模组和短轴聚焦模组组合，调节激光光束的入射角度，使激光光束以布儒斯特角照射至晶圆。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述凹面形离轴抛物镜与凸面形离轴抛物镜的焦距比为1.5~2.5:1。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述凸面形柱面镜和凹面形柱面镜的焦距比为1：1.5~2.5。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述积分镜为直线带式积分镜，直线带式积分镜为45°入射。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述直线带式积分镜为8段分割的积分镜。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述布儒斯特角为70°~80°。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述半波片由电机驱动旋转。

第二方面，本申请提供一种二氧化碳激光的光束整形方法，其使用上述二氧化碳激光的光束整形设备，其包括：

利用凹面形离轴抛物镜和凸面形离轴抛物镜缩小激光光束的直径，同时对激光光束进行准直；

通过偏振调节系统调节激光光束的P偏振分量透过和S偏振分量反射；

再通过凸面形柱面镜和凹面形柱面镜对激光光束只进行X方向的扩束，Y方向的光斑宽度不变；

利用积分镜对激光光束的光斑进行分段反射，使X方向能量分布均匀；

再利用AOI模组和短轴聚焦模组组合调节激光入射角度，使得激光光束以布儒斯特角照射至晶圆；

最后利用短轴聚焦模组对激光光束的Y方向进行聚焦，使得激光光束Y方向的光斑宽度变小、能量分布保持高斯分布不变。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述积分镜的入射光束为1.5~2.5:1的椭圆形光束。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述积分镜为直线带式积分镜，7~10段分割聚焦。

与现有技术相比，本发明实现的有益效果是：

本申请提供的二氧化碳激光的光束整形设备以及整形方法，通过第一镜组、偏振调节系统、第二镜组、积分镜、AOI模组和短轴聚焦模组的配合使用，能够将高斯分布的二氧化碳激光光束整形为线形平顶光束，保证整形后光斑能量分布的均匀性。相较于已有的光束整形方法，本发明提出的方法功率利用率高，平顶效果更佳，进而提升了二氧化碳激光退火工艺的均匀性；同时，降低了二氧化碳激光器的功率输出要求，降低了激光器维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对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申请的某些实施例，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为二氧化碳激光器输出光斑形貌图；

图2为二氧化碳激光器输出光斑的能量分布示意图；

图3为实施例提供的二氧化碳激光的光束整形设备的示意图；

图4为实施例提供的激光光束经第二镜组扩束后光斑形貌图；

图5为实施例提供的激光光束经第二镜组扩束后X方向能量分布示意图；

图6为实施例提供的激光光束经第二镜组扩束后Y方向能量分布示意图；

图7为实施例提供的激光光束经直线带式积分镜整形后光斑形貌图；

图8为实施例提供的激光光束经直线带式积分镜整形后X方向能量分布示意图；

图9为实施例提供的激光光束经直线带式积分镜整形后Y方向能量分布示意图；

图10为实施例提供的激光光束经该光束整形设备整形后光斑形貌图；

图11为实施例提供的激光光束经该光束整形设备整形后X方向能量分布示意图；

图12为实施例提供的激光光束经该光束整形设备整形后Y方向能量分布示意图。

附图标记：1-凹面形离轴抛物镜，2-凸面形离轴抛物镜，3-半波片，4-薄膜偏振器，5-凸面形柱面镜，6-凹面形柱面镜，7-直线带式积分镜，8-AOI模组，9-反射镜，10-短轴聚焦镜。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中公开的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，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。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

图1为二氧化碳激光器输出的光斑形貌图，呈直径为25mm的圆形光斑；图2为其能量分布示意图，由图可见，该激光光束的能量分布在X方向和Y方向上均呈高斯分布。此能量分布的光斑因其能量分布不均匀，不适用于退火工艺要求。

为此，本实施例提供一种二氧化碳激光的光束整形设备，如图3所示，具体包括沿激光光束的入射方向依次设置的第一镜组、偏振调节系统、第二镜组、积分镜、AOI模组和短轴聚焦模组；

其中，第一镜组为凹凸面型的离轴抛物镜组合，即第一镜组包括凹面形离轴抛物镜1和凸面形离轴抛物镜2，凹面形离轴抛物镜1靠近激光光束的入射方向，且与凸面形离轴抛物镜2对称设置。且凹面形离轴抛物镜1与凸面形离轴抛物镜2的焦距比为1.5~2.5:1，在本实施例中优选为1.7:1。通过第一镜组，能够将二氧化碳激光器输出的直径25mm高斯光束缩小至15mm，能量分布保持高斯分布不变，同时对光束进行准直，保证激光长距离传输。

偏振调节系统（图3中表示为P&S调节系统）包括沿激光光束的入射方向设置的半波片3和薄膜偏振器4（简称TPF）。通过半波片3与薄膜偏振器4组合作用，P偏振分量透过，S偏振分量反射，利用马吕斯定律，调节透过P分量的功率。优选地，半波片3由电机驱动旋转。

第二镜组为凸凹面型的柱面镜组合，包括凸面形柱面镜5和凹面形柱面镜6，且二者对称设置，凸面形柱面镜5靠近激光光束的入射方向。凸面形柱面镜5和凹面形柱面镜6的焦距比为1：1.5~2.5。在本实施例中，二者的焦距比优选地1:2。通过第二镜组，将15mm的平行高斯光束单方向扩束，只进行X方向扩束，扩束后X方向光斑宽度30mm，Y方向光斑宽度保持15mm不变，且X&Y能量分布均为高斯型。扩束后光斑形貌如图4所示，X方向能量分布如图5所示，Y方向能量分布如图6所示。

积分镜为直线带式积分镜7，其原理是将输入光斑分段反射，在工作面上得到相同位置和大小的输出光斑进行叠加， 从而达到匀化和整形的效果。由于直线带式积分镜7平面反射，输出光斑尺寸约等于输入光斑尺寸除以分割段数。为保证光斑均匀性， 积分镜通常需要分割成７段或者更多，优选地为7~10段。在本实施例中的积分镜使用8段分割，上述X方向光斑尺寸30mm式基于1/e2算法的光斑尺寸，根据高斯分布算法，包含光斑边缘的真实光斑尺寸为45mm，由于直线带式积分镜7为45°入射，光斑尺寸放大根号2倍，因此光斑经放大和8段分割后，计算光斑尺寸为7.8mm。上述椭圆形光斑经积分镜后，光斑形貌如图7所示，X方向能量分布如图8所示，Y方向如图9所示。X方向经直线带式积分镜7整形后，能量分布均匀，光斑尺寸7.5mm，与计算接近，Y方向无变化。

AOI模组8，即入射角调节模块，其通过与反射镜9、短轴聚焦镜10组合，调节激光光束的入射角度，保证二氧化碳激光光束以布儒斯特角照射至Wafer。根据折射率计算，布儒斯特角为70~80°（优选地为75°），组合调节75°入射，保证二氧化碳激光最大程度的被晶圆（wafer）吸收且吸收率随晶圆表面图形变化波动较小，在达到退火工艺效果的同时保证退火均匀性。

光束经直线带式积分镜7整形后，X方向达到平顶均匀分布的效果，Y方向依然光斑宽度依然为15mm，能量密度低，无法满足退火工艺需求。因此，此处使用短轴聚焦镜10对Y方向聚焦，聚焦后 Y能量分布如图12所示，Y方向光斑尺寸0.075mm，X:Y=100:1，能量密度大大提高，满足退火工艺需求。

本实施例还提供一种二氧化碳激光的光束整形方法，其利用上述二氧化碳激光的光束整形设备，该方法包括：

（1）利用凹面形离轴抛物镜1和凸面形离轴抛物镜2缩小激光光束的直径，同时对激光光束进行准直。在本实施例中，为保证光束平行传播及减小整形镜片尺寸，使用凹面形离轴抛物镜1和凸面形离轴抛物镜2进行缩束及准直，将光斑尺寸调整为直径15mm的平行光束。

（2）通过偏振调节系统调节激光光束的P偏振分量透过和S偏振分量反射。为增强晶圆对10.6 um波长吸收并减小图形效应，实际使用中此激光光束需要以P偏振且布儒斯特角照射至晶圆进行加工，为保证偏振极化，使用半波片3及薄膜偏振器4的组合，调节偏振。

（3）再通过凸面形柱面镜5和凹面形柱面镜6对激光光束只进行X方向的扩束，Y方向的光斑宽度不变。为达到后续步骤中直线带式积分镜7要达到整形效果，对光斑尺寸有一定要求，使用凸面形柱面镜5和凹面形柱面镜6进行单方向扩束，将X方向扩束至直径30mm，Y方向保持为直径15mm不变。

（4）利用积分镜对激光光束的光斑进行分段反射，使X方向能量分布均匀。优选地，积分镜为7~10段分割聚焦的直线带式积分镜7。直线带式积分镜7将椭圆形、能量高斯分布的光束进行整形，将X方向能量分布调整为平顶均匀分布，Y方向保持宽度15mm的高斯分布不变。

（5）再利用AOI模组8和短轴聚焦模组组合调节激光入射角度，使得激光光束以布儒斯特角照射至晶圆；其中，短轴聚焦模组对激光光束的Y方向进行聚焦，使得激光光束Y方向的光斑宽度变小、能量分布保持高斯分布不变。即利用短轴聚焦镜10对Y方向聚焦，将Y方向由15mm聚焦为0.075mm，能量分布保持高斯分布不变。

通过该方法，对二氧化碳激光器输出直径25mm的高斯光束进行整形，经整形后，光斑形貌如图10所示，呈直线型；其长轴方向（X方向）能量分布如图11所示，能量分布均匀，长度7.5mm；短轴方向（Y方向）能量分布如图12所示，宽度0.075mm，长短轴比例100：1。由图可见，此光斑能量分布均匀，且光斑尺寸小，能量密度高，工艺窗口更宽，能够满足半导体激光退火工艺需求。

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

Claims (10)

1.一种二氧化碳激光的光束整形设备，其特征在于，其包括沿激光光束的入射方向依次设置的第一镜组、偏振调节系统、第二镜组、积分镜、AOI模组和短轴聚焦模组；

所述第一镜组包括对称设置的凹面形离轴抛物镜和凸面形离轴抛物镜，且所述凹面形离轴抛物镜靠近所述激光光束的入射方向；

所述偏振调节系统包括沿所述激光光束的入射方向设置的半波片和薄膜偏振器；

所述第二镜组包括对称设置的凸面形柱面镜和凹面形柱面镜，且所述凸面形柱面镜靠近所述激光光束的入射方向；

所述积分镜为7~10段分割的积分镜；

所述AOI模组和短轴聚焦模组组合，调节所述激光光束的入射角度，使所述激光光束以布儒斯特角照射至晶圆。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳激光的光束整形设备，其特征在于，所述凹面形离轴抛物镜与所述凸面形离轴抛物镜的焦距比为1.5~2.5:1。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳激光的光束整形设备，其特征在于，所述凸面形柱面镜和所述凹面形柱面镜的焦距比为1：1.5~2.5。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳激光的光束整形设备，其特征在于，所述积分镜为直线带式积分镜，所述直线带式积分镜为45°入射。

5.根据权利要求4所述的二氧化碳激光的光束整形设备，其特征在于，所述直线带式积分镜为8段分割的积分镜。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳激光的光束整形设备，其特征在于，所述布儒斯特角为70°~80°。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳激光的光束整形设备，其特征在于，所述半波片由电机驱动旋转。

8.一种二氧化碳激光的光束整形方法，其特征在于，其使用如权利要求1~7任一项所述的二氧化碳激光的光束整形设备，其包括：

利用所述凹面形离轴抛物镜和凸面形离轴抛物镜缩小所述激光光束的直径，同时对所述激光光束进行准直；

通过所述偏振调节系统调节所述激光光束的P偏振分量透过和S偏振分量反射；

再通过所述凸面形柱面镜和凹面形柱面镜对所述激光光束只进行X方向的扩束，Y方向的光斑宽度不变；

利用所述积分镜对所述激光光束的光斑进行分段反射，使X方向能量分布均匀；

再利用所述AOI模组和短轴聚焦模组组合调节激光入射角度，使得所述激光光束以布儒斯特角照射至所述晶圆；

最后利用所述短轴聚焦模组对所述激光光束的Y方向进行聚焦，使得所述激光光束Y方向的光斑宽度变小、能量分布保持高斯分布不变。

9.根据权利要求8所述的二氧化碳激光的光束整形方法，其特征在于，所述积分镜的入射光束为1.5~2.5:1的椭圆形光束。

10.根据权利要求8所述的二氧化碳激光的光束整形方法，其特征在于，所述积分镜为直线带式积分镜，8段分割聚焦。

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