KR20140048188A - 펄스 써큘레이터 - Google Patents

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KR20140048188A
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스티븐 모파트
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

반도체 기판들을 어닐링하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 상기 장치는 기판을 향하여 펄스형 에너지를 전달하는 펄스형 에너지 소스를 갖는다. 균질화기는 펄스형 에너지의 공간적 균일성을 증가시킨다. 펄스 정형 시스템은 펄스형 에너지의 시간적 프로파일을 정형화한다. 바이패스 시스템을 이용하여 펄스 써큘레이터가 선택될 수 있다. 펄스 써큘레이터는 에너지 펄스가 반사기들의 경로 주위를 순환할 수 있도록 하며, 부분 반사기는 펄스의 일부가 싸이클마다 펄스 써큘레이터를 빠져나갈 수 있도록 한다. 펄스 써큘레이터는 써큘레이터로부터 빠져나가는 펄스들을 조절하기 위해 지연 요소들과 증폭 요소들을 가질 수 있다.

Description

펄스 써큘레이터{PULSE CIRCULATOR}
본 명세서에 개시된 실시예들은 반도체 장치들을 제조하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 반도체 기판들을 어닐링하는 방법들 및 장치가 개시된다.
열적 어닐링은 반도체 제조에서 일반적으로 사용되는 기술이다. 일반적으로, 기판에 포함시키고자 하는 물질을 도입하는 물질 프로세스를 기판상에서 실시한 후, 물질적으로 변화된 기판의 속성들을 개선시키기 위해 기판을 어닐링한다. 전형적인 열적 어닐링 프로세스는 기판의 일부 또는 전체 기판을 시간 기간 동안 어닐링 온도로 가열하고, 그런 다음에 물질을 냉각시키는 단계를 포함한다. 몇몇 경우들에서, 물질의 일부가 용융되고(melted) 재응고된다(resolidified).
펄스 레이저 어닐링은 반도체 기판들을 어닐링하는 매력적인 방법이다. 펄스 레이저 에너지는 어닐링 프로세스 동안, RTP와 같은 옴니버스 어닐링 프로세스들에 의해서 얻을 수 없는 제어도(degree of control)를 제공한다. 레이저 펄스들을 발생시키는 일반적인 방법들은, 몇몇 프로세스들을 위해서 필요할 수 있는 펄스 에너지들, 지속 시간들 및 강도 프로파일들을 설계하기 위한 완벽한 유연성(full flexibility)을 제공하지 않는다. 레이저 에너지의 매우 짧은 펄스들을 발생시키기 위해서, 발생 수단은, q-스위치들, 프리즘 압축기들, 및 격자들(gratings) 등과 같이 에너지 펄스들을 설계하는 데 있어서 제한된 유연성을 제공하는 것들로 대부분 한정된다.
따라서, 열적 프로세싱을 위해 펄스형(pulsed) 에너지를 발생시키고 제어하는 신규한 방식들에 대한 요구가 존재한다.
펄스형 에너지 소스와 펄스 써큘레이터를 가진 열적 프로세싱 장치가 개시된다. 펄스 써큘레이터는 적어도 제 1 반사기와 제 2 반사기를 가지며, 이들은 각각 부분 반사기(partial reflector)일 수 있다. 각각의 반사기는 반사면을 갖는다. 제 1 반사기는 제 2 반사기의 반사면으로부터 반사된 에너지를 제 1 반사기의 반사면에서 수취하고(receive), 그 에너지를 제 2 반사기를 향해 반사하도록 위치된다. 제 2 반사기는 그 반사면에 입사된 에너지의 일부를 전송한다(transmit).
펄스 써큘레이터는 또한 펄스 써큘레이터의 광 경로(optical path) 길이를 증가시키기 위해 회로 미러들을 가질 수 있다. 회로 미러들은 펄스 써큘레이터의 광 경로 길이를 변화시키도록 작동될 수 있다. 지연 광학계들(delay optics)과 증폭기들이 펄스 써큘레이터에 포함될 수 있다.
또한 열적 프로세싱 장치는 에너지 펄스의 공간적 균일성(spatial uniformity)을 증가시키는 균질화기(homogenizer)와, 펄스의 시간적 프로파일(temporal profile)을 조절하기 위한 펄스 정형 시스템(pulse shaping system)을 포함할 수 있다. 단일의 펄스를 형성하기 위해 다중 에너지 소스들이 사용될 수 있다.
본 발명의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로 앞서 간략히 요약된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들을 도시하는 것이므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주지되어야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1a는 일 실시예에 따른 열적 프로세싱 장치의 평면도이다.
도 1b는 다른 실시예에 따른 펄스 정형 시스템의 개략도이다.
도 1c는 다른 실시예에 따른 균질화기의 개략도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 펄스 써큘레이터의 개략도이다.
이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에서 공통되는 동일한 요소들은 가능한 한 동일한 참조번호들을 사용하여 표시하였다. 일 실시예에 개시된 요소들이 구체적인 언급 없이 다른 실시예들에서 유리하게 활용될 수 있는 것으로 생각된다.
도 1a는 일 실시예에 따른 열적 프로세싱 장치(100)의 평면도이다. 레이저 소스일 수 있는 에너지 소스(102)는 에너지 펄스(104)를 형성한다. 에너지 소스(102)는 단일의 레이저이거나, 복수의 레이저들로부터 단일의 빔 또는 펄스를 생성하는 광학계들이 접합된(joining) 복수의 레이저들일 수 있다. 에너지 소스(102)는 약 200㎚ 내지 약 2,000㎚의 파장, 예를 들어 약 500㎚ 내지 약 1,000㎚의 파장, 예컨대, 약 532㎚ 또는 약 810㎚의 파장을 가진 전자기 에너지를 생성할 수 있다. 복수의 레이저들을 특징으로 하는 실시예에서, 각각의 레이저는 동일한 파장을 가질 수 있거나, 레이저들 중 일부 또는 전부가 서로 다른 파장들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 4개의 주파수-배가형(frequency-doubled) Nd:YAG 레이저들의 출력이 펄스형 출력을 위해 단일의 레이저 빔으로 병합된다(merged). 레이저들 중 전부 또는 임의의 레이저가 연속파(continuous wave), 펄스형, 및 q-스위칭형 등일 수 있다는 것이 주지되어야 한다.
에너지 펄스(104)는 선택적인 펄스 정형 시스템(106)으로 전달된다. 펄스 정형 시스템(106)은 에너지 펄스(104)가 시간의 함수로서 펄스의 시간적 형상 또는 펄스의 강도를 변경하는 변환을 하도록 한다. 펄스 정형 시스템(106)은 에너지 펄스(104)를 분할기들을 이용하여 서브-펄스들로 분할하고, 서브-펄스들을 상이한 경로 길이들을 가진 서로 다른 경로들을 통해 전달한 다음, 서브-펄스들을 결합기를 이용하여 재결합할 수 있다. 이러한 펄스 정형 시스템은, 원하는 경우, 에너지 소스(102)에 의해 생성된 고유의 시간적 펄스 형상을 변형시키기 위해 사용될 수 있다.
도 1b는 펄스 정형 시스템(106)의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1b의 펄스 정형 시스템은 레이저 에너지 펄스의 일부를 지연시켜 바람직한 펄스 특성들(예를 들면, 펄스 폭 및 펄스 프로파일)을 가진 합성 펄스를 제공하기 위해 사용되는 복수의 빔 분할기들(예컨대, 참조 부호 "150A" 내지 "150E")과 복수의 미러(152)들(예를 들면, 16개의 미러들이 도시되어 있음)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 레이저 에너지 펄스는 공간적으로 간섭될 수 있다. 레이저 에너지의 펄스는 제 1 빔 분할기(150A)를 통과한 후 2개의 성분들 또는 서브-펄스(154A, 154B)들로 분할된다. 각종 광학 부품들에서의 손실을 무시하면, 제 1 빔 분할기(150A)에서의 투과 반사율(transmission to reflection ratio)에 따라, 레이저 에너지의 소정 퍼센트(즉, X%)는 제 1 서브-펄스(154A)로 제 2 빔 분할기(150B)에 전송되며, 제 2 서브-펄스(154B)의 에너지의 소정 퍼센트(즉, 1-X%)는, 제 2 빔 분할기(150B)에 충돌하기 전에 다수의 미러(152)들에 의해 반사되기 때문에, 경로 A 내지 E(즉, 세그먼트(A 내지 E)들)를 따른다.
일 예에서, 펄스 에너지의 70%는 반사되고 30%는 빔 분할기를 투과하도록, 제 1 빔 분할기(150A)의 투과 반사율이 선택된다. 다른 예에서, 펄스 에너지의 50%는 반사되고 50%는 빔 분할기를 투과하도록, 제 1 빔 분할기(150A)의 투과 반사율이 선택된다. 경로 A 내지 E의 길이 또는 세그먼트(A 내지 E)들의 길이들의 합(즉, 도 1b에 도시된 바와 같이, 전체 길이 = A + B + C + D + E)은 서브-펄스(154A)와 서브-펄스(154B) 사이의 지연을 제어할 것이다. 일반적으로, 제 1 서브- 펄스(154A)와 제 2 서브-펄스(154B) 사이의 경로 길이의 차이를 조절함으로써, 미터 당 약 3.1나노초(㎱)의 지연을 실현할 수 있다.
제 1 서브-펄스(154A)로 제 2 빔 분할기(150B)에 전달된 에너지는 제 3 빔 분할기(150C)에 직접 전송되는 제 2 서브-펄스(156A)와, 제 3 빔 분할기(150C)에 충돌하기 전에 경로 F 내지 J를 따르는 제 2 서브-펄스(156B)로 분할된다. 제 2 서브-펄스(154B)로 전달된 에너지도 제 3 빔 분할기(150C)에 직접 전송되는 제 3 서브-펄스(158A)와, 제 3 빔 분할기(150C)에 충돌하기 전에 경로 F 내지 J를 따르는 제 3 서브-펄스(158B)로 분할된다. 이러한 각각의 서브-펄스들의 분할 및 지연 프로세스는, 열적 프로세싱 장치(100)의 다음 부품에 에너지를 주로 전달하도록 구성된 최종 빔 분할기(150E)에서 서브-펄스들이 모두 재결합될 때까지, 각각의 서브-펄스들이 후속 빔 분할기들(즉, 참조 부호 "150D" 내지 "150E")과 미러(152)들에 충돌할 때, 계속된다. 최종 빔 분할기(150E)는 원하는 방향으로 지향될 수 있도록 지연 영역들로부터 또는 선행 빔 분할기로부터 수취한 서브-펄스들에서 에너지의 편광을 조절하는 편광 빔 분할기일 수 있다.
일 실시예에서, 경로(160)를 따르는 서브-펄스들에 대해 편광이 회전할 수 있도록, 편광식 최종 빔 분할기(150E) 앞에 파장판(164)이 배치된다. 편광을 조절하지 않으면, 에너지의 일부는 최종 빔 분할기에 의해 반사되어 다른 브랜치(branch)와 재결합되지 않을 것이다. 일 예에서, 펄스 정형 시스템(106)의 모든 에너지는 S-편광이며, 이에 따라, 비-편광 큐브 빔 분할기들은 입사되는 빔들을 분할하지만, 편광 큐브인 최종 빔 분할기는 수취한 에너지를 결합한다. 경로(160)를 따르는 서브-펄스들의 에너지는 편광 빔 분할기를 직선으로 관통하는 P로 회전된 편광을 가질 것인 반면, 경로(162)를 따르는 다른 서브-펄스들은 S-편광이므로 반사되어 결합된 빔을 형성한다.
일 실시예에서, 최종 빔 분할기(150E)는 지연 영역들로부터 또는 선행 빔 분할기로부터 수취한 에너지를 결합하도록 배치된 미러와 비-편광 빔 분할기를 포함한다. 이 경우, 빔 분할기는 원하는 지점을 향하여 에너지의 일부를 투사하고 원하는 지점을 향하여 수취한 에너지의 다른 부분을 전송할 것이며, 미러는 동일한 원하는 지점으로 빔 분할기를 통해 전송된 에너지의 잔량을 전달할 것이다. 당업자들이라면, 바람직한 펄스 지속 기간과 바람직한 펄스 프로파일을 얻기 위해, 본 명세서에 개시된 바와 같은 구성으로 빔 분할형 부품들과 미러들을 추가함으로써, 펄스가 분할되고 지연되는 횟수를 변화시킬 수 있음을 이해할 것이다. 도 1b는 빔 분할기와 미러들을 포함하는 4개의 빔 지연 영역들을 이용한 펄스 정형 시스템의 디자인을 도시하고 있지만, 이 구성이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도된 것은 아니다.
도 1a를 참조하면, 열적 프로세싱 장치(100)는 에너지(104)의 공간적 균일 성을 증가시키기 위한 선택적 균질화기(108)를 또한 갖는다. 균질화기(108)는 에너지(104)의 공간적 간섭성을 저감 또는 제거하거나, 에너지(104)의 공간적 모드들의 개수를 증가시키거나, 에너지(104)를 공간적으로 랜덤화(randomize)하는 요소들을 채용한다. 에너지(104)의 에너지 밀도의 공간적 균일성을 약 10% 이상, 예컨대, 약 5% 이상 증가시키기 위해, 렌즈 어레이들과 같은 하나 이상의 굴절 어레이들이 렌즈들과 같은 하나 이상의 포커싱 또는 디포커싱 요소들과 투과적으로 커플링될 수 있다.
도 1c는 일 실시예에 따른 균질화기(108)의 개략도이다. 도 1c의 균질화기는 공간적으로 간섭하는 전자기 에너지의 입사 빔(A1)을 수취하여, 화상면(B1)에 균일한 에너지 필드를 생성한다. 한 쌍의 마이크로-렌즈 어레이(172, 174)들과 렌즈(176)를 포함하는 빔 적분기 조립체(178)는 빔 적분기 조립체(178)를 통과하는 에너지를 균질화한다. 용어 "마이크로-렌즈 어레이" 또는 "파리-눈 렌즈"는 일반적으로 다수의 인접한 렌즈들을 포함하는 일체형 렌즈 어레이를 설명하기 위한 것임을 유의하여야 한다. 도 1c의 빔 적분기 조립체(178)는 일반적으로 간섭하지 않는 소스, 또는 공간적 간섭 길이가 단일의 마이크로-렌즈 어레이의 치수보다 훨씬 작은 넓게 부분적으로 간섭하는 소스를 사용하여 최상으로 작동한다. 즉, 빔 적분기 조립체(178)는 렌즈(176)의 후초점면에 위치된 평면에서 마이크로-렌즈 어레이들의 확대된 화상들을 중첩시킴으로써 빔을 균질화한다. 렌즈(176)는 필드 왜곡을 포함한 수차들을 최소화하도록 잘 교정되어야 한다. 또한, 화상 필드의 크기는 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)의 구경(aperture)들의 형상의 확대된 버전이며, 배율은 F/f1으로 주어지고, 여기서, f1은 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)의 마이크로-렌즈들의 초점 거리이며, F는 렌즈(176)의 초점 거리이다.
일 예에서, 11㎜ 사각형 필드 화상을 형성하기 위해, 약 175㎜의 초점 거리를 가진 렌즈(176)와 4.75㎜의 초점 거리를 가진 마이크로-렌즈 어레이의 마이크로-렌즈들이 사용된다. 당업자라면, 이 부품들의 다양한 조합들이 사용될 수 있지만, 일반적으로 가장 효과적인 균질화기들은 동일한 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)와 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)를 가질 것임을 이해할 것이다. 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)에 전달되는 에너지 밀도(Watts/㎟)가 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)에서 증가되거나 또는 집중되도록, 제 1 및 제 2 마이크로-렌즈 어레이(172, 174)들은 소정 거리만큼 이격될 수 있다. 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)의 임의의 부품의 손상 역치를 초과하는 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)의 에너지 밀도를 포커싱함에 따른 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)의 손상을 방지하기 위해, 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)는 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)의 렌즈렛들의 초점 거리와 동일한 거리(d2)만큼 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)로부터 이격된다.
일 예에서, 제 1 및 제 2 마이크로-렌즈 어레이(172, 174)들은 각각, 사각형 형상이며 약 300 마이크론의 에지 길이를 가진 7,921개의 마이크로-렌즈들(즉, 89×89 렌즈렛 어레이)을 포함한다. 마이크로-렌즈 어레이(172, 174)들로부터 수취한 화상을 적분하기 위해 푸리에 렌즈일 수 있는 렌즈(176)가 일반적으로 사용되며, 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)로부터 거리(d3)만큼 이격된다.
균질화기(108)를 떠나는 에너지(A5)의 균일성이 유입되는 에너지(A1)에 비해 개선되도록, 랜덤 확산기(170)가 균질화기(108) 내부에 배치될 수 있다. 이 구성에서, 유입되는 에너지(A1)는, 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172), 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174) 및 렌즈(176)에 의해 에너지(A2, A3, A4)가 각각 수취되어 균질화되기 전에, 랜덤 확산기(170)의 배치에 의해 확산된다. 랜덤 확산기(170)는 유입되는 에너지(A1)의 펄스가 광범위한 각도(α1)로 분산되도록 하여, 투사된 빔의 콘트라스트를 저감함으로써, 펄스의 공간적 균일성을 향상시킨다. 랜덤 확산기(170)는 일반적으로, 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)에 의해 수취되는 에너지(A3)의 방사 조도(W/㎠)가 확산기가 없는 경우보다 낮아지도록, 자신을 통과하는 광이 산포되도록 한다. 랜덤 확산기(170)는 각각의 마이크로-렌즈 어레이(172, 174)에 충돌하는 빔의 위상을 랜덤화하기 위해서도 사용된다. 이 추가적인 랜덤 위상은 확산기가 없을 경우 관찰되는 고강도 스팟들을 산포함으로써 공간적 균일성을 향상시킨다.
일반적으로, 랜덤 확산기(170)는 그 뒤에 배치된 렌즈의 수광각 보다 큰 각도로 펄스에 수취된 에너지를 확산시키지 않도록 선택된 협각 광 확산기이다. 일 예에서, 랜덤 확산기(170)는 확산각(α1)이 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172) 또는 제 2 마이크로-렌즈 어레이(174)의 마이크로-렌즈들의 수광각보다 작도록 선택된다. 일 실시예에서, 랜덤 확산기(170)는 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172) 앞에 배치된 0.5°내지 5°확산기와 같은 단일의 확산기를 포함한다. 다른 실시예에서, 랜덤 확산기(170)는 원하는 거리만큼 이격된 0.5°내지 5°확산기 플레이트들과 같은 2개 이상의 확산기 플레이트들을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)가 유입되는 에너지(A1)로 전달되는 에너지의 실질적으로 전부를 수취할 수 있도록, 랜덤 확산기(170)가 제 1 마이크로-렌즈 어레이(172)로부터 거리(d1)만큼 이격될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 열적 프로세싱 장치(100)는 펄스 써큘레이터(116)를 더 포함한다. 펄스 써큘레이터(116)는 에너지 펄스를 수취하고 그 에너지를 순환시킴으로써, 유입되는 펄스의 전부 또는 일부의 지연을 발생시킨다. 펄스 써큘레이터(116)는, 에너지 펄스를 순환시키기 위해, 분할기들, 부분 반사기들, 전체 반사기들, 조절가능한 반사기들 등을 채용한다.
일 양태에서, 펄스 써큘레이터는 전자기 에너지의 펄스를 순환시키기 위해 광학 요소들을 채용한다. 펄스 써큘레이터는 유입되는 펄스를 수취하는 제 1 반사기, 예컨대, 일방향 반사기와, 제 1 반사기로부터 펄스를 수취하는 제 2 반사기, 예컨대, 부분 미러, 및 제 2 반사기로부터 반사된 에너지를 제 1 반사기로 다시 전달하는 하나 이상의 회로 미러들을 가질 수 있다. 제 2 반사기는 에너지가 순환할 때마다 제 1 반사기로부터 수취한 에너지의 소정 퍼센트를 전송함으로써, 에너지가 효율적으로 소멸될 때까지 에너지가 펄스 써큘레이터(116)를 지날 때마다 고유의 에너지 펄스의 일부가 펄스 써큘레이터(116) 외부로 전송되도록 한다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 펄스 써큘레이터(116)는 펄스 분할기일 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 열적 프로세싱 장치(100)에서 사용가능한 펄스 써큘레이터(200)의 개략도이다. 펄스 써큘레이터(200)는 투과면(202A)과 반사면(202B)을 구비한 제 1 반사기(202)를 갖는다. 투과면(202A)은 투과면(202A)에 입사된 광이 제 1 반사기(202)를 통과할 수 있도록 하고, 반사면(202B)은 반사면(202B)에 입사된 광을 반사한다.
펄스 써큘레이터(200)는, 제 2 반사기(204)에 입사된 방사선의 일부를 투과하고 입사된 방사선의 일부를 반사하는 제 2 반사기(204)를 또한 갖는다. 제 1 반사기(202)는 제 2 반사기(204)로부터 반사된 방사선을 제 1 반사기(202)의 반사면(202B)에서 수취하고 그 방사선을 제 2 반사기(204)로 다시 반사하도록 배치된다.
하나 이상의 회로 반사기(206)들이 펄스 써큘레이터(200)에 포함될 수 있다. 제 2 반사기(204)으로부터 반사된 광을 제 1 반사기(202)의 반사면(202B)에 전달하기 위해 2개의 회로 반사기(206)들이 사용될 수 있다. 제 1 반사기(202)의 투과면(202A)을 통해 펄스 써큘레이터(200)로 유입된 광은 회로 경로(220)를 따라 펄스 써큘레이터(200)의 반사기들의 주위를 순환한다. 에너지가 제 2 반사기(204)까지 회로 경로(220) 주위를 순환할 때마다, 나머지 에너지는 순환하도록 남겨두고, 에너지의 일부가 서브 펄스(225)로 펄스 써큘레이터(200)로부터 방출된다. 따라서, 펄스 써큘레이터(200)는 유입되는 에너지의 단일 펄스를 강도가 감소한 일련의 서브-펄스들로 변환한다. 서브-펄스들의 강도는 제 2 반사기(204)의 투과율에 따라 기하학적으로 감소한다.
도 1a를 다시 참조하면, 열적 프로세싱 장치(100)는 펄스형 에너지(104)를 받도록 기판을 위치시키기 위한 기판 지지체(120)를 또한 포함한다. 펄스 써큘레이터(116)를 우회하여 에너지(104)가 기판 지지체(120) 상의 기판에 직접 전달될 수 있도록, 바이패스 시스템(114)이 포함될 수 있다. 이러한 방식으로, 열적 프로세싱 장치(100)는 열적 프로세싱을 위해 기판에 에너지(104)의 펄스를 전달하고, 열적 프로세싱 이전이나 이후에 기판에 강도가 감소한 일련의 서브-펄스들을 전달하기 위해 사용될 수 있다.
바이패스 시스템(114)은, 전력 소스(112)로부터의 전압을 인가함으로써 본질적으로 완전 투과로부터 본질적으로 완전 반사로 스위칭될 수 있는 스위칭 가능한 반사기(110), 예컨대, LCD 미러 또는 마이크로전자기계 장치에 의해 선택될 수 있다. 스위칭 가능한 반사기(110)가 통전되면, 유입되는 에너지를 대면하고 있는 스위칭 가능한 반사기(110)의 표면은 반사성이 되며, 유입되는 에너지를 바이패스 시스템(114)으로 전달한다. 바이패스 시스템(114)은 바이패스 시스템(114)으로부터의 에너지를 기판 지지체(120)를 향해 정렬시키는 제 2 스위칭 가능한 반사기(118)로 펄스 써큘레이터(116) 주위의 에너지를 전달하는 반사기들을 포함한다. 스위칭 가능한 반사기(110, 118)들은 일반적으로, 스위칭 가능한 반사기(110)가 반사성이면 스위칭 가능한 반사기(118)도 반사성이고 스위칭 가능한 반사기(110)가 투과성이면 스위칭 가능한 반사기(118)도 투과성이도록, 동기적으로 작동한다.
작동시, 열적 프로세싱 장치(100)는 기판 지지체(120) 상에 배치된 기판을 열처리하기 위해 기판 지지체(120)에 프로세싱 방사선의 펄스들을 전달하도록 구성될 수 있다. 열처리 후, 열적 프로세싱 장치(100)는 열처리 후 기판의 제어된 냉각을 유발하기 위해 기판 지지체(120)에 쿨-다운 방사선의 펄스들을 전달하도록 구성될 수 있다. 일 양태에서는, 각각의 쿨-다운 펄스가 기판 표면에 에너지를 전달함으로써, 이 에너지에 의해 영향을 받는 영역에서 기판의 온도를 높이거나 냉각 속도를 저하시킨다.
도 1a 또는 도 2의 펄스 써큘레이터(116)는 기판의 제어된 냉각을 특징으로 하는 열적 프로세싱 방법들에 유용할 수 있다. 이러한 몇몇 방법들에서는, 처리 후 기판의 최종 속성들을 조절하기 위해 가열한 후 냉각이 제어된다. 다양한 형태학적 프로세스들의 속도에 영향을 미치고, 이에 따라, 최종 제품의 형태에 영향을 미치도록, 도 1a의 펄스 써큘레이터(116) 또는 도 2의 펄스 써큘레이터(200)를 사용하여, 기판이 냉각될 때 제어된 속도로 에너지가 기판에 추가될 수 있다.
펄스 써큘레이터(116)는 휴지 기간만큼 이격된 일련의 펄스들을 생성하도록 구성될 수 있다. 휴지 기간은 쿨-다운 펄스들에 의해 영향을 받는 영역에서 기판의 온도가 특정량만큼 감소할 수 있도록 선택될 수 있다. 그리고, 쿨-다운 펄스는 휴지 기간 직전의 온도 감소보다 적은 양만큼 영향을 받은 영역의 온도를 상승시킬 수 있다. 쿨-다운 펄스들은 일반적으로 다음과 같은 관계식으로 정의되는 강도를 갖는다:
In=I0(1-T)n
여기서, In은 n번째 펄스의 강도이고, Io는 입사 펄스의 강도이며, T는 제 2 반사기(204)의 투과율이다. 일 양태에서, 펄스 써큘레이터(116)에 유입되는 펄스의 초기 강도(Io)가 기판의 열적 프로세싱에 사용되는 펄스들과 실질적으로 동일하도록 펄스 써큘레이터(116)의 경로 길이가 설정될 수 있으며, 각각의 펄스 사이의 휴지 기간은 영향을 받는 기판 영역의 열 에너지가 쿨-다운 펄스들 사이에서 원하는 양만큼 감소할 수 있도록 한다.
일 실시예에서, 열적 프로세싱은 기판 표면의 일부를 용융시키는 단계를 포함하고, 후속 쿨-다운 펄스들은 기판 단독의 표면 에너지의 소산과 방사선으로 인해 고유의 응고 속도보다 낮은 속도로 기판 표면의 제어된 응고 또는 재결정화를 실시한다. 열적 프로세싱 과정에서 전달되는 각각의 펄스는 기판 표면의 일부의 제어된 용융을 실시하여, 표면의 깊이를 통해 용융 전선을 진행시킬 수 있다. 그리고, 쿨-다운 펄스들의 일부는 기판 표면의 일부의 제어된 재용융을 각각 실시하여, 표면의 깊이를 통해 응고 전선을 진행시킬 수 있다. 이러한 방법을 실시하기 위해, 열적 프로세싱 펄스들이 전달되는 동안, 펄스 써큘레이터(116)를 우회하도록 스위칭 가능한 반사기(110, 118)들이 통전된다. 임의의 개수의 열적 프로세싱 펄스들이 열적 프로세싱 동작 중에 전달될 수 있다. 그리고, 프로세싱된 표면의 제어된 냉각을 실시하기 위해, 스위칭 가능한 반사기(118)들이 단전되고 에너지의 펄스가 펄스 써큘레이터(116)를 통해 라우팅될 수 있다.
일 양태에서, 도 2의 회로 반사기(206)들은 조절가능할 수 있다. 회로 반사기(206)들은 리니어 액추에이터(212)에 의해 트랙(210)에 커플링된 지지체(208) 상에 재치될 수 있다. 원하는 경우, 액추에이터(212)의 운동 범위를 제한하기 위해 리미터(214)들이 제공될 수 있다. 도 2의 구성은 제 1 및 제 2 반사기(202, 204)들에 대해 더 가깝거나 더 멀리 회로 반사기(206)들을 이동시킴으로써 펄스 써큘레이터(200)의 경로 길이의 조절할 수 있도록 한다. 써큘레이터의 경로 길이 조절은 제 2 반사기(204)로부터 나오는 펄스들 사이의 시간 간격에 영향을 미친다.
또한, 펄스 써큘레이터(200)의 주변 매질에 비해 높은 굴절률을 가진 광학 요소를 포함함으로써, 펄스 써큘레이터(200)에 지연이 도입될 수 있다. 이러한 광학 요소들은 고체들, 액체들 및 기체들을 포함하며, 지연의 정도는 광이 통과하는 굴절 매질의 두께를 조절함으로써 변조될 수 있다. 일 예에서, 두께가 변하는 지연 광학계(216)가 펄스 써큘레이터(200)의 광 경로를 따라 배치될 수 있다. 지연 광학계(216)의 두께는, 굴절에 의한 광의 방향 변경을 피하기 위해 지연 광학계(216)에 대한 광의 수직 입사를 유지하도록, 경사지는 대신, 일반적으로 계단형이다. 1m의 광 경로에 배치된 1㎝ 두께의 유리 조각(n≒1.5)은 제 2 반사기(204)로부터 나오는 펄스들 사이의 간격에 대해 약 0.5%를 추가할 것이다. 1㎝ 두께의 투명한 탄소 조각(즉, 다이아몬드, n≒2.4)은 1m 회로 내의 간격에 대해 약 1.4%를 추가할 것이다. 물질의 두께는 계단형일 수 있으며, 지연 광학계(216)는 리니어 액추에이터(218)에 의해 작동되어 지연 값을 선택하기 위해 광 경로 내에서 선택된 단계에 위치할 수 있다. 지연 광학계(216)는 단일의 물질이거나 복합 재료일 수 있다. 일 양태에서, 지연 광학계(216)는 원하는 굴절율을 가진 정형화된 유체 바이알일 수 있다.
각각의 쿨-다운 펄스 사이의 강도 관계는 펄스 써큘레이터(200)에 광학 요소들을 추가함으로써 더 영향을 받을 수 있다. 일 양태에서, 펄스 써큘레이터(200)에서 순환하는 에너지의 경로에 증폭기(222)가 추가될 수 있다. 증폭기(222)는, 일반적으로, 순환하는 에너지의 파장과 유사하거나 동일한 파장들에서 유도 방출에 민감한 매질이다. 예를 들어, 순환하는 에너지가 Nd:YAG 레이저에 의해 생성되는 경우, 증폭기(222)는 Nd:YAG 결정일 수 있다. 증폭기(222)를 통과하는 에너지로 인해 증폭기(222)가 입사 에너지와 실질적으로 간섭하는 방사선을 방출하게 되도록, 펄스 써큘레이터(200)를 통해 펄스를 순환시키기 전에 증폭기(222)가 펌핑될 수 있다. 따라서, 제어된 속도로 각각의 펄스에 대해 에너지를 추가함으로써, 펄스 써큘레이터(200)로부터 나오는 펄스들의 정확한 붕괴 프로파일을 조절할 수 있다.
몇몇 양태들에서, 증폭기(222)는 펄스 증강기로서 작동될 수 있다. 예를 들면, 펄스가 펄스 써큘레이터(200)를 통해 순환할 때, 통과할 때마다 증폭기가 재충전될 수 있음으로써, 통과할 때마다 펄스에 더 많은 에너지를 추가하게 되므로, 펄스 써큘레이터(200)를 빠져나가는 각각의 펄스는 마지막 펄스보다 더 큰 강도를 갖게 된다. 일 실시예에서, 순환하는 펄스와 동기하여 충전 펄스를 순환시키기 위해 펄스 써큘레이터(200)와 제 2 펄스 써큘레이터가 통합될 수 있다. 대안적으로, 펄스 써큘레이터(200)의 증폭기(222)는 펄스형 광원에 의해 펌핑될 수 있다.
다른 실시예들에서, 증폭기(222)는, 증폭기에 인가된 전하들 사이를 펄스가 다수회 순환하도록, 회로의 발진 주파수와는 다른 주파수로 충전될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 펄스 써큘레이터(200)는 주기적인 강도 패턴을 가진 펄스들을 생성하고, 펄스들의 강도는 증폭기의 충전 주파수와 순환 주파수 사이의 관계에 따라 상승 및 하강한다.
증폭기(222)는 더 넓은 범위의 증폭 옵션들을 허용하기 위해 증폭기(222) 내에 발진기 공동을 형성하는 반사기(224)들을 또한 가질 수 있다. 제 1 반사기(224A)는 일반적으로 전체 반사기인 반면, 제 2 반사기(224B)는 고정되거나 가변적인 투과율을 가진 부분 반사기일 수 있다. 발진기 공동의 특성들은, 펄스 써큘레이터(200)의 광 경로 길이와 함께, 거의 모든 주기성과 강도 패턴을 가진 펄스들을 제공하도록 변화될 수 있다. 일 양태에서, 펄스 써큘레이터(200)는 링 레이저로서 작동될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예들에 관한 것이나, 본 발명의 기본적인 범위를 벗어나지 않고 다른 추가적인 실시예들이 안출될 수 있다.

Claims (20)

  1. 열적 프로세싱 장치를 위한 펄스 써큘레이터로서,
    펄스형 방사선 소스;
    상기 펄스형 방사선 소스로부터 방사선 펄스를 수취하도록 배치되고, 반사면과 상기 반사면에 대향하는 투과면을 가진, 제 1 반사기; 및
    상기 제 1 반사기로부터 방사선 펄스를 수취하고 상기 방사선 펄스의 일부를 반사하도록 배치되며, 입사 방사선의 일부를 투과하고 입사 방사선의 일부를 반사하는, 제 2 반사기를 포함하며,
    상기 제 1 반사기는 상기 제 2 반사기로부터 반사된 방사선을 제 1 반사기의 반사면에서 수취하여 그 방사선을 상기 제 2 반사기로 다시 반사하는,
    펄스 써큘레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 반사기들과 함께 광학 회로를 형성하도록 배치된 복수의 회로 미러들을 더 포함하는,
    펄스 써큘레이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 회로 미러들은 작동식 포지셔너(actuated positioner)에 체결된,
    펄스 써큘레이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 작동식 포지셔너는 상기 제 1 반사기로부터 상기 제 2 반사기까지 중심선에 대해 수직한 축을 따라 선형적으로 작동되는,
    펄스 써큘레이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    지연 광학계(delay optics)를 더 포함하는,
    펄스 써큘레이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 지연 광학계는 굴절 요소를 포함하는,
    펄스 써큘레이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    증폭기를 더 포함하는,
    펄스 써큘레이터.
  8. 열적 프로세싱 장치로서,
    기판 지지체;
    펄스형 에너지 소스; 및
    상기 기판 지지체와 상기 펄스형 에너지 소스 사이에 배치된 펄스 써큘레이터를 포함하며,
    상기 펄스 써큘레이터는,
    반사면과 상기 반사면에 대향하는 투과면을 가진, 제 1 반사기; 및
    상기 제 1 반사기로부터 에너지 펄스를 수취하고 상기 펄스의 일부를 반사하도록 배치되며, 입사 에너지의 일부를 투과하고 입사 에너지의 일부를 반사하는, 제 2 반사기를 포함하며,
    상기 제 1 반사기는 상기 제 2 반사기로부터 반사된 에너지를 제 1 반사기의 반사면에서 수취하여 그 에너지를 상기 제 2 반사기로 다시 반사하는,
    열적 프로세싱 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 펄스형 에너지 소스는 펄스형 레이저 소스인,
    열적 프로세싱 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 펄스형 레이저 소스와 상기 펄스 써큘레이터 사이에 균질화기(homogenizer)를 더 포함하는,
    열적 프로세싱 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 펄스 써큘레이터 또는 바이패스 광학계에 대해 레이저 펄스를 전달하기 위해, 스위칭 가능한 미러들을 구비한 펄스 써큘레이터용 바이패스 광학계를 더 포함하는,
    열적 프로세싱 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 펄스 써큘레이터는 작동식 지연 광학계를 더 포함하는,
    열적 프로세싱 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 작동식 지연 광학계는 복수의 반사기들을 포함하는,
    열적 프로세싱 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 펄스형 에너지 소스와 상기 펄스 써큘레이터 사이에 균질화기를 더 포함하는,
    열적 프로세싱 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 펄스 써큘레이터 또는 바이패스 광학계에 대해 에너지 펄스를 전달하기 위해, 스위칭 가능한 미러들을 가진 바이패스 광학계를 더 포함하는,
    열적 프로세싱 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    펄스 정형 광학 시스템을 더 포함하는,
    열적 프로세싱 장치.
  17. 기판을 열적으로 프로세싱하기 위한 방법으로서,
    상기 기판을 향하여 전자기 에너지의 제 1 펄스를 전달하는 단계;
    펄스 써큘레이터에 전자기 에너지의 제 2 펄스를 전달하여, 강도가 감소하는 복수의 펄스들을 상기 제 2 펄스로부터 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 펄스들을 상기 기판을 향해 전달하는 단계를 포함하는,
    기판을 열적으로 프로세싱하기 위한 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 펄스는 상기 기판의 일부를 어닐링하고, 상기 복수의 펄스들은 상기 기판의 일부의 프로그래밍된 냉각을 야기하는,
    기판을 열적으로 프로세싱하기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 펄스는 상기 기판의 일부를 용융시키고, 상기 복수의 펄스들은 상기 기판의 일부의 점진적인 재결정화(progressive recrystallization)를 초래하는,
    기판을 열적으로 프로세싱하기 위한 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 기판을 향하여 전자기 에너지의 제 1 펄스를 전달하는 단계는 상기 펄스 써큘레이터로부터 멀어지게 상기 제 1 펄스를 전달하도록 바이패스 광학계를 작동시키는 단계를 포함하고, 상기 펄스 써큘레이터를 향하여 전자기 에너지의 제 2 펄스를 전달하는 단계는 상기 펄스 써큘레이터에 상기 제 2 펄스를 전달하도록 상기 바이패스 광학계를 작동시키는 단계를 포함하는,
    기판을 열적으로 프로세싱하기 위한 방법.
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