CN217618371U

CN217618371U - 一种效果和产能可调的激光退火装置

Info

Publication number: CN217618371U
Application number: CN202221557485.0U
Authority: CN
Inventors: 黄永忠; 何刘
Original assignee: Chengdu Laipu Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Laipu Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2032-06-21

Abstract

本实用新型公开了一种效果和产能可调的激光退火装置，包括：激光器、反射镜、光学系统和位移平台，且设置有用于调节反射镜的位置和设置角度的第一调节系统。本申请可根据工艺要求，调整入射光斑照射晶圆的角度，既可以实现加工光斑长度变化，同时又不改变激光器的任何参数，不更换核心整形元件，同时也不用改变聚焦镜焦距，焦点位置保持固定。而实际加工光斑长度的改变，可以实现不同的能量密度调节，更好匹配不同要求的加工，同时在功率富余条件下，增大光斑长度，有力提升了激光退火设备的产能。

Description

一种效果和产能可调的激光退火装置

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路领域，特别是一种效果和产能可调的激光退火装置。

背景技术

当前，集成电路前道制作工艺中，越来越多的用到了激光退火工艺，实现离子注入后的激活，以及非晶硅的晶化。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到退火目的。可以看出，与传统退火方式相比，激光退火方式具有“空间区域选择性强-仅激光光斑照射区域退火”、“升降温速度快-温度上升下降梯度可达1E12℃/S”、“退火时间短-退火时间为激光脉宽时间”、“工艺灵活性好”、“热扩散更小”、“热预算更低”等优势。

另一方面，激光退火用于半导体器件时，也会带来一些问题。实际半导体器件中存在着不同尺寸、不同材料的结构，这些不同的结构对激光的吸收不同、激光的损伤阈值也不同，具体激光退火工艺中，所需要的能量密度和光斑长度等都不同。同时在实际量产过程中，设备能够实现更高的产能更有助于降低单位制造成本，提高产品的竞争力。

现有技术中，激光退火在加工过程中都是采取正入射方式，光斑尺寸基本固化，而要改变光斑长度，有以下几种方式：1)改变激光器的发散角。但是激光器的发散角改变，入射光斑的性质发生了变化，焦点位置和光束质量都会发生变化，不利于激光退火工艺的一致性；2)改变线形整形元件的发散角。线形整形元件在设计制作时候，发散角度已经确定，只有更换该整形元件才能实现。同时整形元件的制作工艺复杂，价格昂贵，属于激光退火光路中的核心元件，一般很少更换。3)改变聚焦镜的焦距。聚焦镜焦距的增加可以带来线形光斑长度的增加，但是聚焦镜更换后，焦点位置发生了变化，需要重新定义焦点位置才能匹配工艺效果，这在实际工艺量产中，属于设备和工艺的重大变更，考虑生产工艺的稳定性，一般不做变化。上述方式在实际生产中应用均有一定的难度和不便。

实用新型内容

本实用新型提供了一种效果和产能可调的激光退火装置，通过改变激光退火工艺中线形光斑的入射角度，调控线形光斑长度从而改善半导体器件激光退火效果和产能。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种效果和产能可调的激光退火装置，包括：

激光器，用于发射激光，形成所述激光退火需要的光源；

反射镜，用于改变激光器发射激光的传播方向；

第一调节系统，用于调节反射镜的位置和设置角度；

光学系统，将反射镜反射的激光整形聚焦成矩形平顶光束、正方形平顶光束或线形平顶光束中的任意一种后，发射到晶圆样品表面；

位移平台，用于放置所述晶圆样品，并调整所述晶圆样品的位置。

作为优选的，所述激光器和反射镜之间还设置有扩束准直系统，用于将激光器发射的激光进行扩束准直。

作为优选的，所述扩束准直系统和反射镜之间还设置有孔径光阑，用于卡控激光且抑制回光后向反射到扩束镜和激光器。

作为优选的，其特征在于：所述光学系统包括平顶整形元件和聚焦系统，所述聚焦系统包括平凸透镜、双凸透镜或柱面透镜，所述平顶整形元件和聚焦系统均对应设置有第二调节系统。

作为优选的，所述激光器包括半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或碟片激光器。

作为优选的，所述第一调节系统和/或第二调节系统包括调节轴、套设在调节轴上的轴套以及安装在调节轴上的固定架，所述反射镜、平顶整形元件或聚焦系统安装在所述固定架上。

作为优选的，所述调节轴上设置有两个限位件，两个所述限位件之间的距离与轴套的长度相适配，所述调节轴的一端设置有调节钮。

作为优选的，所述轴套上套设有刻度盘，所述调节轴上固定连接有指针，所述轴套通过固定件固定在三维位置调节组件上。

作为优选的，所述晶圆样品通过真空吸附系统固定于位移平台上。

本实用新型具有以下优点：

本实用新型根据工艺要求，调整入射光斑照射晶圆的角度，既可以实现加工光斑长度变化，同时又不改变激光器的任何参数，不更换核心整形元件，同时也不用改变聚焦镜焦距，焦点位置保持固定。而实际加工光斑长度的改变，可以实现不同的能量密度调节，更好匹配不同要求的加工，同时在功率富余条件下，增大光斑长度，有力提升了激光退火设备的产能。

附图说明

图1为本申请未调控入射角时装置的结构示意图。

图2为本申请调控入射角实现线形光斑长度控制装置的结构示意图。

图3采用本发明之前的入射线形光斑正入射在晶圆表面投影光斑图。

图4激光从空气入射到材料表面时反射率随入射角度的变化。

图5入射线形光斑在晶圆投影的示意图。

图6第一调节系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施方式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实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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”、“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。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实用新型中的具体含义。

本实施例提供了一种效果和产能可调的激光退火装置，如图1-3所示，包括：

激光器1，用于发射激光，形成所述激光退火需要的光源；

反射镜4，用于改变激光器1发射激光的传播方向；

第一调节系统，用于调节反射镜4的位置和设置角度；

光学系统，将反射镜4反射的激光整形聚焦成矩形平顶光束、正方形平顶光束或线形平顶光束中的任意一种后，发射到晶圆样品7表面；

位移平台8，用于放置所述晶圆样品7，并调整所述晶圆样品7的位置。

本申请提出通过改变激光入射角度，从而实现连续调控晶圆表面激光退火线形光斑的长度，根据能量密度E＝P/S公式，该式中E为线形光斑能量密度，P为线形光斑所包含的激光功率，S为线形光斑的面积。长度的改变，光斑面积随之发生改变，具体来说，线形光斑的长度减小，那么能量密度越大，可以针对退火工艺中需要高能量密度的应用，类如杂质注入较深，浓度较高。而在注入深度不高，浓度很低，以及非晶硅晶化的厚度很薄情况下，可以在同样的入射功率下，增加线形光斑的长度来减小功率密度实现工艺需求，同时线形光斑的长度增加将大幅提高设备的产能，因此，能够连续调控光斑长度大小，对于激光退火工艺有着非常直接和实际的意义，同时丰富了激光退火设备的功能性。

本申请的核心要点基于以下几个事实：

1.通常的垂直照射方式，我们定义为正入射，入射角度为0°，而在入射角度增加到10°时，反射率基本没有变化，这意味着入射光斑的功率不变，反射率随入射角度变化见图1。

图4是激光从空气入射到材料表面时候即从折射率小的介质入射到折射率大的介质，反射率随入射角度的关系。r_s和r_p分别是激光中s光和p光的反射率，t_s和t_p分别是S光和p光的透射率。r_s和r_p在图中时候是负值，是因为在反射过程中形成了位相跃变，即半波损失。该负号仅代表反射光的电场振动方向与入射光相反，实际反射率为图中该值的绝对值。

2.当入射线形光斑斜入射时候，照射到晶圆表面的实际加工工艺光斑为该入射光斑在表面的投影，其长度L_实际＝L_入射*cosθ，θ为入射角度。其关系如图2所示。

图5可以看出线形光斑在晶圆表面的投影长度即是实际加工工艺的光斑的长度。

3.对于激光退火工艺而言，产生作用的是该光斑内所携带的能量在材料表面所产生的热作用，而与是否为投影光斑无关。

基于这些事实，通过改变入射角度，即可以实现一定程度内，实际加工光斑尺寸的连续可调。从而实现能量密度的连续调节，从而更好的匹配工艺要求并实现更好的产能提升。

本实施例中的反射镜4配备用于改变原始光线的传播方向，配备有X,Y,Z以及俯仰等多方向和角度调节系统，使得入射光线能够以我们需要的角度入射到晶圆表面，在本实施例中，我们改变入射角度主要就是通过调整该反射镜4进行完成，其示意如图2所示，通常入射方向如图2中虚线所示，即正入射，那么调节反射镜4后，入射光线相对于正入射所处虚线的位置发生偏移，即以一定的角度入射到晶圆表面，从而实现矩形光斑、正方形光斑以及线型光斑的对应方向拉长，所述的对应方向拉长对于矩形和线形光斑来说是其长边，正方形则是其任意一边即可。

本实施例中，所述激光器1和反射镜4之间还设置有扩束准直系统2，用于将激光器1发射的激光进行扩束准直，得到的光斑更适合于整形和光路长距离传输。

本实施例中，所述扩束准直系统2和反射镜4之间还设置有孔径光阑3，用于卡控激光，所得到的光斑圆度更好，同时可以抑制回光的后向反射到扩束镜和激光器1等部位，造成损伤。

本实施例中，所述光学系统包括平顶整形元件5和聚焦系统6，所述聚焦系统6包括平凸透镜、双凸透镜或柱面透镜，所述平顶整形元件5和聚焦系统6均对应设置有第二调节系统。

所述光学整形元件和光学聚焦系统6，用于将所述激光器1发射的激光整形为矩形平顶、方形平顶或者线形平顶光斑后，发射到样品表面，其中，所述光学整形元件可以是衍射光学元件，也可以是微透镜形式的折射光学元件。无论采取上述任一形式的光学整形元件，其目的都是和聚焦系统6配合使用，将所述激光器1发射的激光整形为上述矩形，方形，线形平顶光斑发射到样品表面。实施例中，该光学整形元件和光学聚焦系统6均配有X,Y,Z以及俯仰等多方向和角度调节系统，使得经过反射镜4调整角度后的光线依然能够正入射到光学整形元件和光学聚焦系统6。

本实施例中，所述激光器1包括半导体激光器1、固体激光器1、光纤激光器1或碟片激光器1，所述激光器1的波长为从200nm-2000nm之间，脉宽范围从皮秒到毫秒。因半导体器件包含有各种材料，不同材料对光的吸收各不相同，本发明的重点在于提出一种思路和方法，具体到不同的材料和器件结构，需要本领域技术人员根据要求选择不同的激光波长，因此目前暂无需给出具体的波长数值。

本实施例中，所述第一调节系统和/或第二调节系统包括调节轴9、套设在调节轴9上的轴套10以及轴套10安装在调节轴9上的固定架12，所述反射镜4、平顶整形元件5或聚焦系统6安装在所述固定架12上，如图6所示。需要调节反射镜4或平顶整形元件5或聚焦系统6俯仰角度时，可以手动转动调节轴9，安装在调节轴9上的固定架12随之转动，从而使得安装在固定架12上的反射镜4、平顶整形元件5或聚焦系统6的俯仰角度发生变化。

本实施例中，所述调节轴9上设置有两个限位件，两个所述限位件之间的距离与轴套10的长度相适配，所述调节轴9的一端设置有调节钮，方便操作者旋转调节轴9。

本实施例中，所述轴套10上套设有刻度盘11，所述调节轴9上固定连接有指针13，方便确定旋转角度，所述轴套10通过固定件固定在三维位置调节组件上，其中三维位置调节组件本领域技术人员可以根据需要在现有技术的基础上进行选择。

本实施例中，所述晶圆样品7通过真空吸附系统固定于位移平台8上，所述的晶圆样品7是我们激光矩形、正方形以及线形光斑所要处理的样品。一般通过真空吸附系统固定于位移平台8上。本实施例中的位移平台8可以仅做改变X,Y位置以及在X，Y片面上旋转。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光，形成所述激光退火需要的光源；

反射镜，用于改变激光器发射激光的传播方向；

第一调节系统，用于调节反射镜的位置和设置角度；

2.根据权利要求1所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述激光器和反射镜之间还设置有扩束准直系统，用于将激光器发射的激光进行扩束准直。

3.根据权利要求2所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述扩束准直系统和反射镜之间还设置有孔径光阑，用于卡控激光且抑制回光后向反射到扩束镜和激光器。

4.根据权利要求1所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述光学系统包括平顶整形元件和聚焦系统，所述聚焦系统包括平凸透镜、双凸透镜或柱面透镜，所述平顶整形元件和聚焦系统均对应设置有第二调节系统。

5.根据权利要求1所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述激光器包括半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或碟片激光器。

6.根据权利要求4所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述第一调节系统和/或第二调节系统包括调节轴、套设在调节轴上的轴套以及安装在调节轴上的固定架，所述反射镜、平顶整形元件或聚焦系统安装在所述固定架上。

7.根据权利要求6所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述调节轴上设置有两个限位件，两个所述限位件之间的距离与轴套的长度相适配，所述调节轴的一端设置有调节钮。

8.根据权利要求7所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述轴套上套设有刻度盘，所述调节轴上固定连接有指针，所述轴套通过固定件固定在三维位置调节组件上。

9.根据权利要求1所述的一种效果和产能可调的激光退火装置，其特征在于：所述晶圆样品通过真空吸附系统固定于位移平台上。