KR20150014515A - 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법 - Google Patents

레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 균일한 싱글 펄스레이저를 제공하는데 사용되는 레이저빔 발생모듈; 싱글 펄스 레이저를 복수개의 서브 펄스 레이저로 분해하는데 사용되는 순환 지연 장치(300); 서브 펄스 레이저를 기판(204)에 집중시키는데 사용되는 광학 모듈; 기판(204)에 적어도 하나의 자유도 변위를 제공하는데 사용되는 운동 스테이지(500)을 포함하는 레이저 어닐링 장치와, 균일한 싱글 펄스 레이저를 제공하는 단계; 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 펄스 레이저로 분해하는 단계; 서브 펄스 레이저를 이용하여 기판(204)에 연속적으로 조사하여, 기판(204)의 표면 온도를 소정 범위 내에서 안정적으로 유지시키는 단계를 포함하는 레이저 어닐링 방법에 관한 것이다. 이는 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 레이저 펄스로 분해시킬 수 있으며, 이러한 레이저 펄스를 연속적으로 조사할 때 어닐링기간에서의 실리콘 웨이퍼의 표면온도를 용융점 근처 또는 어닐링에 필요한 온도 근처에서 더욱 오래 유지될 수 있도록 함으로써 레이저의 에너지 이용율을 높이고, 어닐링 효과를 개선할 수 있다.

Description

레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법{LASER ANNEALING APPARATUS AND LASER ANEEALING METHOD}
본 발명은 반도체 재료 가공 기술분야에 응용되는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법에 관한 것이다.
어닐링(annealing) 처리는, 주요하게는 재료를 고온에 장시간 노출시킨 후 다시 천천히 냉각시키는 열처리 공정을 지칭한다. 종래의 용광로에서 가열하고 어닐링함에 있어서 1100도에서 어닐링을 한다고 해도 결정 결함을 완전히 제거할 수 없었지만, 반도체 레이저 어닐링은 비교적 철저히 결정 결함을 제거할 수 있다. 반도체 레이저 어닐링에 사용되는 분광 파장 범위는 상당히 넓어 UV(자외선)에서부터 IR(적외선) 대역 레이저기기까지 모두 가지고 있다. 공정 방식 또한 다양하여, 예를 들어 미국 특허 US6336308 (2002년 01월 08일 공개) 및 US7365285 (2008년 04월 29일 공개)에는 싱글 펄스(single pulse) 레이저 어닐링, 고주파 Q 스위칭 펄스 레이저 어닐링, 연속파 레이저 스캐닝 어닐링, 동일한 파장의 듀얼 레이저 스캐닝 어닐링, 상이한 파장의 듀얼 레이저 스캐닝 어닐링 등이 공개되어 있다.
예를 들어, 문헌 'Silicon Laser Annealing by a Two-Pulse Laser System with Variable Pulse Offsets, V.Gonfa, etc, Laser Annealing of Double Implanted Layers for IGBT Power Devices, Clement Sabatier, etc' 및 문헌 'UL Dual Beam Laser Spike Annealing Technology' 모두 듀얼 레이저 어닐링의 활성화 효과가 싱글 레이저 어닐링에 비해 뛰어나다고 공개되어 있다. 듀얼 레이저 어닐링은 두 가지 종류로 나뉠 수 있는데, 그 중 한 종류는 동일한 파장의 두 개의 펄스를 각기 다른 시간에 실리콘 웨이퍼(silicone wafer)에 조사하는 것이며 (문헌 'Silicon Laser Annealing by a Two-Pulse Laser System with Variable Pulse Offsets, V.Gonfa, etc, Laser Annealing of Double Implanted Layers for IGBT Power Devices, Clement Sabatier, etc'에 공개된 내용과 같다); 다른 한 종류는 장파의 연속 레이저 또는 펄스 레이저로 예열한 후 단파를 사용하여 한층 더 어닐링을 진행하는 것(문헌 'UL Dual Beam Laser Spike Annealing Technology'에 공개된 바와 같다)이다. 현재, 듀얼 레이저 방식의 레이저 어닐링 장치는 이미 관련 산업에서 IGBT(insulated-gate biopolar transistors), TFT(thin- film transistors) 등 분야에 응용되고 있다.
선행기술 중, 'Liquid Phase Reflectivtity under Conditions of Laser Induced Silicon Melting'에서 소개한 바에 따르면, 레이저 어닐링 공정에서 실리콘 표면이 용융된 후 표면의 액상 실리콘의 반사율은 원래의 고체 상태 실리콘 반사율의 2배에 달하며, 이때 레이저 펄스의 레이저 에너지가 대량으로 반사되면서 실리콘에 흡수되지 않아 레이저 에너지 이용율이 떨어지게 되며, 어닐링 효과에 영향을 미치게 된다고 공개되어 있다.
해당 영향은 싱글 레이저 어닐링 또는 듀얼 레이저 어닐링에 모두 존재한다. 만약, 더블 펄스 레이저의 지연을 연장하면, 일부 시간 범위 내에서 온도는 너무 낮게 되며, 어닐링에 요구되는 온도(예를 들어 1300도 이상에서의 시간은 50ns 보다 긴 어닐링이 요구된다)에 다다르지 못한다. 많은 응용에서, 용융점(熔融點) 1414도 근처에 도달해야 어닐링 효과를 얻을 수 있는 것만은 아니다(예를 들어 선행기술 중에서 문헌 'Sub-Melt Laser Annealing Followed by Low- Temperature RTP for Minimized Diffusion, S. B. Felch, D. E Downey, and E. A. Arevalo Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. 81 1 Hansen Way, Palo Alto, CA 94303-0750 USA'에 기재된 어닐링; 및 또 선행기술에서 문헌 'PULSED LASERS ANNEALING AND RAPID THERMAL ANNEALING OF COPPER-INDIUM-GALLIUM-DISELENIDE-BASEDTHIN-FILM SOLAR CELLS'에 기재된 태양에너지 어닐링).
싱글 펄스 레이저 또는 더블 펄스 레이저를 막론하고 온도가 용융점을 초과하면 흡수율은 반으로 감소하며, 에너지 이용율도 감소하게 된다. 또한, 상기 두 가지 방안은 모두 온도가 어닐링 활성화에 필요한 온도(예를 들어 1100도일 경우 활성화율 90% 이상)를 초과하는데 걸리는 시간이 비교적 짧아지게 할 수 있으므로(예를 들어 100ns 미만), 이는 어닐링 효과에 영향을 미친다. 따라서, 어떻게 에너지 이용율을 높이면서 어닐링 효과를 개선할 수 있는지가 레이저 어닐링에서 개진이 필요한 중요 과제로 되었다.
기술적 과제 발명의 목적은 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 레이저 펄스로 분해하고, 어닐링에 사용되는 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 균일한 싱글 펄스(single pulse) 레이저를 제공하는데 사용되는 레이저빔(laser beam) 발생 모듈; 상기 싱글 펄스 레이저를 복수개의 서브 펄스 레이저로 분해하는데 사용되는 순환 지연 장치; 상기 서브 펄스 레이저를 기판에 집중시키는데 사용되는 광학 모듈; 및 상기 기판에 적어도 하나의 자유도 변위를 제공하는데 사용되는 운동 스테이지를 포함하는 레이저 어닐링 장치를 제공한다.
상기 순환 지연 장치는 적어도 지연기; 분광부; 및 내부 제어 모듈을 포함하며, 상기 내부 제어 모듈은 상기 지연기의 지연 및 상기 분광부의 분광 비율을 제어하는데 사용되는 것이 바람직하다.
상기 순환 지연 장치는 상기 분광부 및 상기 지연기 간의 레이저 전달에 사용되는 복수개의 광섬유를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 지연기는 미러면(?面)이 평행하는 양면 반사경; 및 각도 또는 위치 조절이 가능한 출사단 및 수신단을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 출사단 및 수신단은 각각 출사헤드 및 수신헤드, 또는 출사 반사경 및 수신 반사경인 것이 바람직하다.
상기 내부 제어 모듈은 상기 출사단 및 수신단의 각도 또는 위치를 조절하여 상기 지연기의 지연을 제어하는것이 바람직하다.
상기 분광부는 복수개의 투과율이 다른 제1분광미러 및 회전축을 포함하며, 상기 내부 제어 모듈은 상기 회전축을 구동하여 선택된 제1분광미러를 변경시킴으로써 상기 분광부의 분광 비율을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 복수개의 제1분광미러에서 상기 회전축까지의 거리는 서로 같은 것이 바람직하다.
상기 레이저 어닐링 장치는 상기 내부 제어 모듈과 연결되어 지연 명령 및 분광 비율 명령을 상기 내부 제어 모듈에 발송하는데 사용되는 주 제어기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 레이저빔 발생 모듈은 레이저기기; 광도(光度) 조절기; 제2분광미러; 에너지 검출기; 레이저 제어기; 및 환경 제어 유닛을 포함하며, 상기 레이저기기에서 출사된 레이저는 상기 광도 조절기를 통해 조절된 후 다시 상기 제2분광미러를 통하여 분광되며, 그 중 레이저의 대부분은 상기 순환 지연 장치에 진입하게 되고, 나머지 부분은 상기 에너지 검출기에 진입되며, 상기 에너지 검출기는 레이저 에너지를 탐측하고 탐측 결과를 상기 레이저 제어기에 전송하며, 상기 환경 제어유닛은 상기 레이저기기의 작업 환경 정보를 탐측하고 탐측 결과를 상기 레이저 제어기에 전송하며, 상기 레이저 제어기는 환경 제어 유닛 및 에너지 검출기 양자의 탐측 결과에 따라 상기 레이저기기의 작동을 제어한다. 상기 레이저 제어기 및 상기 환경 제어 유닛은 상기 주 제어기에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
상기 광학 모듈은 빔 확대기(beam expander); 도징 장치; 제1집광렌즈부; 제3분광 미러; 제2집광렌즈부; 및 초점면 검출기를 포함하며, 순환 지연 장치로부터 출사된 서브 펄스 레이저는 순차적으로 상기 빔 확대기 및 도징 장치 처리를 거친 후 다시 상기 제3분광미러를 통해 분광된다. 그 중 일부 서브 펄스 레이저는 상기 제1집광렌즈부를 통과 후 상기 기판 표면에 주사되며, 다른 일부 서브 펄스 레이저는 상기 제2집광렌즈부를 거쳐 상기 초점면 검출기에 주사된다. 상기 초점면 검출기는 검출된 초점면 정보를 상기 주 제어기로 출력시키며, 상기 주 제어기는 상기 초점면 정보에 따라, 상기 운동 스테이지의 운동을 제어하여 기판을 최적의 초점면 위치에 도달하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 균일한 싱글 펄스(single pulse) 레이저를 제공하는 단계; 상기 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 서브 펄스 레이저로 분해하는 단계; 상기 서브 펄스 레이저를 이용하여 기판에 연속적으로 조사시켜 상기 기판의 표면 온도를 소정 범위 내에서 안정적으로 유지시키는 단계를 포함하는 레이저 어닐링 방법을 제공한다.
상기 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 펄스 레이저로 분해하는 상기 단계는, 구체적으로 a)설정된 분광 비율에 따라 제1분광미러를 선택하는 단계; b)상기 싱글 펄스는 상기 제1분광미러를 통과한 후 두 개로 나눠지고, 그 중 하나는 직접적으로 상기 기판에 조사되는데 사용되며, 다른 하나는 지연기에 진입하여 지연 후 출사하는 단계; c)상기 지연기에서 출사된 빔이 다시 상기 제1분광미러를 통과한 후 두 개로 나눠지고, 그 중 하나는 상기 기판을 조사하는데 사용되며, 다른 하나는 다시 상기 지연기에 진입하여 지연 후 출사하는 단계; 및 d)단계 c)를 반복하거나, 또는 설정된 분광 비율에 따라 제1분광미러를 선택 후 다시 단계 c)를 반복하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 지연기는 미러면이 평행하는 양면 반사경; 및 각도 또는 위치 조절이 가능한 출사단 및 수신단을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 출사단 및 수신단의 각도 또는 위치 조절을 통해 상기 지연기의 지연 시간을 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 출사단 및 수신단은 각각 출사헤드 및 수신 헤드, 또는 출사 반사경 및 수신 반사경인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법에 있어서, 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 레이저 펄스로 분해시킬 수 있으며, 이러한 레이저 펄스를 연속적으로 조사할 때 어닐링 기간에서의 실리콘 웨이퍼의 표면온도를 용융점(熔融點) 근처 또는 어닐링에 필요한 온도 근처에서 더욱 오래 유지될 수 있도록 함으로써 레이저의 에너지 이용율을 높이고 어닐링 효과를 개선할 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 레이저 어닐링 장치의 전체 구조를 나타낸 구성도이다.
도2는 본 발명의 제1실시방식에 따른 레이저 어닐링 장치의 순환 지연 장치의 구조를 나타낸 구성도이다.
도3은 본 발명의 제2실시방식에 따른 레이저 어닐링 장치의 순환 지연 장치의 구조를 나타낸 구성도이다.
도4a는 본 발명에 따른 순환 지연 장치의 분광부의 구조를 나타낸 구성도이다.
도4b는 도4b의 측면도이다.
도5는 본 발명에 따른 순환 지연 장치 내 펄스 광도를 나타낸 도면이다.
도6는 본 발명에 따른 순환 지연 장치 내 펄스 광도의 에너지 분포를 나타낸 도면이다.
도7는 본 발명에 따른 기판 표면이 흡수하는 어닐링 레이저 펄스의 상대적인 광도를 나타낸 도면이다.
도8는 본 발명에 따른 기판 표면의 온도를 나타낸 도면이다.
배경 기술에서 이미 언급한 바와 같이, 현재 통상적으로 사용되는 펄스 시간의 폭 조정 방법에 있어서, 일정 시간이 지난 후 기판의 온도가 용융점을 초과하여 레이저 에너지가 강렬하게 대량 반사되면서 계속적인 온도 상승으로 야기된 열 복사로 인해 기판 이온이 증발되는 등 문제가 발생할 수 있다. 현재 사용되는 더블 펄스 방식은 싱글 펄스 레이저 방식을 대체하여, 에너지가 이산화된 후 어닐링 효과가 더욱 양호하다. 본 발명에서 제공하는 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법은 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 레이저기기를 추가하지 않더라도 복수개의 레이저 펄스로 분해시킬 수 있으며, 이에 의해 얻은 어닐링 효과 또한 더블 펄스 방식보다 더 양호하며 또한 원가가 비교적 낮다. 이러한 레이저 펄스를 연속적으로 조사할 때 어닐링 기간에서의 실리콘 웨이퍼의 표면온도를 용융점 근처 또는 어닐링에 필요한 온도 근처에서 더욱 오래 유지될 수 있도록 함으로써 레이저의 에너지 이용율을 높이고 어닐링 효과를 개선한다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 대한 상세한 설명을 진행한다. 그 중에는 본 발명의 바람직한 실시예가 기재되어 있으며, 상기 이해를 바탕으로, 당업자들은 상기에 기재된 본 발명에 대해 보정하여 본 발명의 유리한 효과를 여전히 실현할 수 있다. 따라서, 후술하는 설명은 당업자들이 광범위하게 인지하고 있는 것으로서, 본 발명에 대한 한정이 아닌 것으로 이해 해야 한다.
명확하게 하기 위해, 실제 실시예의 모든 특징에 대해 설명하지는 않는다. 아래의 설명에서, 본 발명을 설명하는데 있어 불필요하여 혼란을 야기할 가능성이 있는 공지 기술의 기능 및 구조는 자세하게 기술하지 않는다. 임의의 실질적인 실시예의 개발에 있어서 개발자의 특정한 목표를 달성하기 위해 반드시 대량의 상세한 절차를 진행해야 하며, 예를 들어 관련 시스템 또는 관련 상업의 한정된 조건에 따라, 하나의 실시예가 다른 실시예로 변경될 수 있으며, 또한, 이러한 개발 작업은 복잡하거나 상당 시간을 소요할 수 있으나, 본 분야의 당업자에게는 통상적인 작업임을 명시한다.
후술하는 단락에서는 도면을 참조하여 예시하는 방식으로 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 아래의 설명 및 청구범위에 따라 본 발명의 장점 및 특징을 더욱 명확하게 될 것이다. 본 발명의 실시예의 목적에 대해 간단하고 명확하게 설명하기 위해 도면은 모두 매우 간단한 형식과 정확하지 않은 비율을 사용하였음을 명시한다.
본 발명의 핵심 사상은 순환 지연 장치를 사용하여 싱글 펄스 레이저를 복수개의 서브 펄스 레이저로 분해하고, 광학 모듈을 사용하여 상기 서브 펄스 레이저를 기판에 집중시키며, 기판은 이러한 레이저 펄스를 연속적으로 조사할 때어닐링 기간에서의 기판 표면의 온도를 장시간 용융점(熔融點) 근처 또는 어닐링에 필요한 온도 근처에서 유지되게 하며, 따라서 기판이 용융점(熔融點)에 도달한 후 용융 후의 기저 표면의 반사율 상승으로 인해 레이저가 대량 반사되는 것을 방지할 수 있어, 레이저 에너지 이용율을 높힐 수 있으며 어닐링 효과를 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 어닐링 장치의 전체 구조를 나타낸 도1을 참조하면, 상기 레이저 어닐링 장치는,
균일한 싱글 펄스(single pulse) 레이저를 제공하는데 사용되는 레이저 빔(laser beam) 발생 모듈;
상기 싱글 펄스 레이저를 복수개의 서브 펄스 레이저로 분해하는데 사용되는 순환 지연 장치(300);
상기 서브 펄스 레이저를 기판(204)에 집중시키는데 사용되고, 상기 기판(204)은 어닐링을 대기하는 반도체 또는 기타 재료이며, 본 실시예에서 상기 기판은 실리콘 웨이퍼인 광학 모듈; 및
상기 기판(204)에 적어도 하나의 자유도 변위를 제공하고, 상기 기판(204)은 상기 운동 스테이지(500) 위에 놓여 있으며, 복수개의 자유도 변위를 따라 운동이 가능한 운동 스테이지(500)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 레이저 어닐링 장치는 주 제어기 (600)를 더 포함하며, 상기 주 제어기 (600)는 상기 내부 제어 모듈(307)과 연결되어 지연 명령 및 분광 비율 명령을 상기 순환 지연 장치(300) 내의 내부 제어 모듈(307)에 발송하는데 사용된다. 순환 지연 장치(300) 내의 내부 제어 모듈(307)은 주 제어기 (600)가 발송한 명령에 따라 순환 지연 장치(300)에서 출사한 복수개의 서브 펄스 레이저간의 지연 및 순환 지연 장치(300)의 분광 비율(즉 에너지 비율)을 제어한다. 물론, 상기 주 제어기 (600)도 직접적으로 순환 지연 장치(300)에서 출사한 복수개의 서브 펄스 레이저간의 지연 및 순환 지연 장치(300)의 분광 비율(즉 에너지 비율)을 제어할 수 있다.
복잡한 장치에 있어서는, 컴퓨터(400)와 주 제어기 (600)는 분리되어 있다. 컴퓨터(400)는 명령을 발송한 후, 주 제어기(600)는 이를 실행 가능한 신호로 변경하여 버스(bus)를 통해 서브 제어기로 발송하고 다시 실행한다.
본 발명의 제1실시방식에 따른 레이저 어닐링 장치의 순환 지연 장치의 구조를 나타낸 도2를 참조하면, 상기 순환 지연 장치(300)는 적어도 지연기(301); 분광부(302) 및 내부 제어 모듈(307)을 포함한다. 그 중, 상기 지연기(301)는 필요에 따라 펄스의 지연시간을 조정할 수 있으며, 상기 분광부(302)는 분광 비율을 조정하는데 사용된다. 상기 내부 제어 모듈(307)은 상기 지연기(301) 및 상기 분광부(302)와 각각 연결되어 상기 지연기(301)의 지연 및 상기 분광부(302)의 분광 비율을 제어하는데 사용된다.
상기 순환 지연 장치(300)는 상기 분광부(302)와 상기 지연기(301) 간의 레이저 전달에 사용되는 복수개의 광섬유(310)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
계속해서 도 2를 참조하면, 상기 지연기(301)는 미러면이 평행하는 양면 반사경(304, 305) 및 각도 또는 위치 조절이 가능한 출사단 및 수신단을 포함한다. 상기 내부 제어 모듈(307)은 상기 출사단 및 수신단의 각도 또는 위치 조절을 통해 상기 지연기(301)의 지연을 제어할 수 있다. 상기 출사단 및 수신단은 출사헤드(303) 및 수신 헤드(306)인 것이 바람직하다. 상기 반사경(304) 및 반사경(305)은 미러면이 평행으로 놓여있으며, 출사헤드(303)의 각도는 조정이 가능하고, 수신헤드(306)의 위치도 조정이 가능하다. 또한 조정되는 각도는 내부 제어 모듈(307)에 의해 제어된다. 만약 출사헤드(303)의 광 출사 각도가 O이고, 양면 반사경(304, 305) 간의 거리는 L이며, 고도는 H이며, 순환 지연 장치(300) 내의 광섬유(310)의 길이는 L0이고, 광섬유(310)의 출구로부터 출사헤드(306)의 광학 거리는 L1일 경우, 빔(beam)이 순환 지연 장치(300)에서 1회 순환하는 광학 거리는 다음 공식으로부터 도출할 수 있다.
X = L1 + n*L0 + mod(H/(L*tg(θ))) * L * sec(θ)
여기서 mod 함수는 정함수로 표시되며, 짝수일 경우 1을 더하고, n은 광섬유(301) 매개체의 굴절율을 표시한다면, 빔(beam)이 순환 지연 장치(300)에서 1회 순환할 때의 지연 시간은 다음 공식으로부터 도출할 수 있다.
T=X/c
이러한 관계를 통해, 내부 제어 모듈(307)은 주 제어기 (600)가 발송한 필요 지연 값인 T 명령을 수신할 때, 상기 공식1과 공식2를 통해 출사 각도 O를 계산해 낼 수 있으며, 내부 제어 모듈(307)의 제어 하에 출사헤드(303)의 각도를 조정하여 광선을 출사하고, 수신 헤드(306)를 레이저 수신이 용이한 위치로 조정할 수 있다.
도4a와 도4b를 참조하면, 도4a는 본 발명에 따른 순환 지연 장치의 분광부의 구조를 나타낸 도면이고, 도4b는 도4a의 측면도이며,, 상기 분광부(302)는 복수개의 투과율이 다른 제1분광미러 및 회전축(3025)을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 분광부(302)에는 4개의 제1분광미러(3021, 3022, 3023, 3024)가 있으며, 상기 내부 제어 모듈(307)은 상기 회전축 (3025)를 구동하여 선택된 제1분광미러를 변경시킴으로써 상기 분광부(302)의 분광 비율을 제어한다. 4개의 제1분광미러(3021, 3022, 3023, 3024)의 투과율은 차례로 a1, a2, a3, a4이다. 내부 제어 모듈(307)은 주 제어기(600)가 발송한 분광비율 명령을 수신한 후, 상기 분광부(302)의 회전축(3025)의 회전을 제어하여 선택된 제1분광미러를 변경하며, 선택된 제1분광미러의 투과광율을 a로 설정한다. 다른 제1분광미러를 선택하면 다른 광 투과율을 가질 수 있다.
상기 복수개의 제1분광미러(3021, 3022, 3023, 3024)에서 상기 회전축(3025)까지의 거리는 같으며, 이로써 필요한 투과율에 따른 제1분광미러를 용이하게 선택할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 레이저 빔 발생 모듈은 레이저기기(100), 광도 조절기(101); 제2분광미러(102); 에너지 검출기(105); 레이저 제어기(104); 및 환경 제어 유닛(103)을 포함한다. 상기 레이저기기(100)가 출사한 싱글 펄스 레이저는 상기 광도 조절기(101)을 통해 조절된 후, 다시 상기 제2분광미러를 거쳐 분광된다. 그 중 레이저의 대부분은 상기 순환 지연 장치(300)에 진입되고, 다른 부분은 상기 에너지 검출기(105)에 진입된다. 상기 에너지 검출기(105)는 레이저 에너지를 탐측하여 그 탐측 결과를 상기 레이저 제어기 (104)에 전송하고; 상기 환경 제어 유닛(103)은 상기 레이저기기(100)의 작업 환경 정보(예를 들어 온도 정보)를 탐측하여 그 탐측 결과를 상기 레이저 제어기(104)로 전송한다. 상기 레이저 제어기(104)는 환경 제어 유닛(103) 및 에너지 검출기(105) 양자가 탐측한 결과에 따라 상기 레이저기기(100)의 작동을 통제하며, 상기 레이저 제어기(104)은 상기 주 제어기 (600)에 연결되며 상기 주 제어기 (600)의 제어를 받는 것이 바람직하다.
상기 광학 모듈은 빔 확대기(206), 도징 장치(203), 제1집광렌즈부(202), 제3분광 미러(207), 제2집광렌즈부(209) 및 초점면 검출기(201)을 포함하며, 순환 지연 장치(300)에서 출사된 서브 펄스 레이저는 순차적으로 상기 빔 확대기 (206) 및 도징 장치(203) 처리를 거친 후 다시 상기 제3분광미러(307)를 통해 분광된다. 그 중 일부 서브 펄스 레이저는 상기 제1집광렌즈부(202)를 통과하여 상기 기판(204) 표면에 주사되며, 다른 일부 서브 펄스 레이저는 상기 제2집광렌즈부(209)를 통과하여 상기 초점면 검출기(201)에 주사된다. 상기 초점면 검출기가 탐측한 초점면 정보는 상기 주 제어기 (600)에 출력되고, 상기 주 제어기 (600)는 상기 초점면 정보에 따라 상기 운동 스테이지(500)의 운동을 제어하여 기판(204)이 최적의 초점면 위치에 도달하게 하는 것이 바람직하다.
도5를 참조하면, 도5는 본 발명에 따른 순환 지연 장치 내 펄스 광도를 나타낸 도면이며, 분광부(302)는 설정된 분광 비율 a (즉 선택된 제1분광미러가 해당 분광 비율 a를 구비함)에 따라 출사된 레이저 빔 (빔 0 즉 Beam 0)을 두 개의 빔으로 나눈다. 그 중 하나의 빔(빔 1 즉Beam 1)은 직접적으로 순환 지연 장치(300)의 외부로 통과하며, 예를 들면 빔 확대기(206)를 거쳐 도징 장치(203)로 통과되며, 다른 하나의 빔(빔 2즉 Beam 2)은 지연기(301) 내로 유도되어 설정된 값 (T)에 따라 지연한 후 광섬유(310)를 통과하여 다시 선택된 제1분광미러로 유도되게 된다.
빔2는 선택된 제1분광미러에 의해 설정된 분광 비율 a에 따라 두 개로 나눠지며, 그 중 하나의 빔(빔 3 즉 Beam 3)은 직접적으로 순환 지연 장치(300)의 외부로 통과되며, 다른 하나의 빔(빔 4 즉 Beam 4)은 지연기(301)로 유도되어 설정된 값 (T)에 따라지연한 후 광섬유(310)를 통과하여 다시 선택된 제1분광미러로 유도되게 한다.
빔4는 선택된 제1분광미러에에 의해 두 개로 나눠지며, 그 중 하나의 빔(빔 5 즉 Beam 5)은 직접적으로 순환 지연 장치(300)의 외부로통과되며, 다른 하나의 빔(빔 6 즉 Beam 6)은 지연기(301)로 유도되어 설정된 값 (T)에 따라지연한 후 광섬유(310)를 통과하여 다시 선택된 제1분광미러로 유도되게 한다.
이렇게 반복하여, 빔 0,1,2,3,4,5,6, ... , 2n-1，2n의 에너지 상대값은 차례로 다음과 같다.
1, a, 1-a, a(1-a), (1-a)2, a(1-a)2, (1-a)3, ..., a(1-a)(n-1) , (1-a)n
실제로 도징 장치(203)에 다다른 빔은 1,3,5, ... , 2n-1 등 홀수 차수 코드의 레이저이며, 그 에너지는 각각 차례로 다음과 같다.
a, a(1-a), a(1-a)2, ..., a(1-a)(n-1).
1,3,5, ... , 2n-1 등 홀수 차수 코드의 펄스의 지연 시간을 각각 T라 할 때, 본 실시예에서는 T= 200ns이다. 또한, 레이저 어닐링 설비 중에 통상적으로 사용되는 레이저기기에서 펄스가 출사되는 주파수 f는 0.1-10kHz 범위에 있으므로 1/f>>T이며, 본 실시예에서는 f= 1kHz이다.
도징 장치(203)는 1,3,5, ... , 2n-1 등 홀수 차수 코드의 n개의 레이저 펄스를 비-스캐닝 방향으로 차례로 도징한 후 순차적으로 운동 스테이지(500)의 기판(204)에 조사한다.
본 실시예에서 설정된 분광 비율은 a=30%이며, 이에 따라 도징 장치(302)에 도달한 빔 n의 에너지는 순차적으로 다음과 같다.
0.3, 0.21, 0.147, 0.1029, 0.07203, 0.050421, ..., 0.3*0.7(2*n-1) , ....
도출된 펄스 에너지는 도1 및 도6에 도시되어 있다. 그 중 도1은 순환 지연 장치(300) 내의 빔의 상대적 광도를 나타낸 도면이며, 도6은 본 발명에 따른 순환 지연 장치(300) 내의 펄스 강도의 에너지 분포를 나타낸 도면이다. 레이저기기(100)에서 출사한 레이저 펄스는 순환 지연 장치(300)를 거쳐 복수개의 에너지 지수 하락형 펄스로 분해된다. 도7은 본 발명에 따른 기판(204)의 표면이 수용하는 레이저 어닐링 펄스의 상대적 광도를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 순환 지연 장치(300) 내의 두 개의 메인 반사경의 높이는 1m, 거리는 1m이며, 조정 각도(즉 출사헤드(303)의 광 출사 각도는 θ임)는 0.95도 이고, 광학 거리는 60m로 조정되면, 분해된 펄스의 지연 시간은 200ns이다. 본 실시예에서 f=1kHz 이므로, 레이저기기에서 출사하는 펄스 시간 간격은 1ms 이다.
순환 지연 장치로부터 출사된 레이저 빔 코드 n 빔 내부 코드
(제1분광미러에서 투과된 광)		 상대적 광도
(제1분광미러에서 투과된 광)
 빔 내부 코드
(제1분광미러에서 반사된 광)		 상대적 광도
(제1분광미러에서 반사된 광)
1 1 0.3 2 0.7
2 3 0.21 4 0.49
3 5 0.147 6 0.343
4 7 0.1029 8 0.2401
5 9 0.07203 10 0.16807
6 11 0.050421 12 0.117649
7 13 0.0352947 14 0.082354
8 15 0.0247063 16 0.057648
9 17 0.0172944 18 0.040354
10 19 0.0121061 20 0.028248
11 21 0.0084743 22 0.019773
12 23 0.005932 24 0.013841
13 25 0.0041524 26 0.009689
14 27 0.0029067 28 0.006782
15 29 0.0020347 30 0.004748
선행기술 중 'Laser Annealing of double implanted layers forigbt power devices, Clement Sabatier, etc.' 에 의해 공개된 내용으로부터 알 수 있는 바, 더블 펄스 레이저로 싱글 펄스 레이저 방식을 대체할 경우, 에너지는 이산화 된 후 어닐링 효과가 더욱 양호하다. 본 발명의 싱글 펄스 레이저는 레이저기기를 추가하지 않더라도 복수개의 레이저 펄스로 분해시킬 수 있으며, 이에 의해 얻은 어닐링 효과 또한 더블 펄스 방식보다 더 양호하며 원가도 낮다다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 펄스시간의 폭의 조정 방법과도 다르다. 펄스시간의 폭 조정 방법에 있어서, 일정 시간이 지난 후 기판의 온도가 용융점을 초과하여 레이저 에너지가 강렬하게 대량 반사되면서 계속적인 온도 상승으로 야기된 열 복사로 인해 기판 이온이 증발하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 분광 비율 a 및 지연 시간 T를 조정하여, 기판 표면의 온도가 용융점 근처에서 비교적 더 오래 유지되게 한다. 이로써 도8에 도시된 바와 같이, 레이저의 에너지 이용율을 높이고 어닐링 효과를 개선할 수 있다.
도3을 참조하면, 도3은 본 발명에 따른 레이저 어닐링 장치의 순환 지연 장치의 제2실시방식에서의 구조를 도시하고 있다. 본 실시예와 실시예 1의 차이점은: 해당 지연기(301)는 양면 메인 반사경(304,305); 출사 반사경(309), 및 수신 반사경(308)을 포함하는데 있다. 출사 반사경(309), 수신 반사경(308)의 위치는 조정 가능하며, 도2에 도시된 예와 유사하게, 본 실시예에서도 광학 거리를 조정할 수 있으며, 따라서 지연시간 또한 조정 가능하다. 본 실시예에서, 상기 출사단 및 수신단은 각각 출사 반사경(309) 및 수신 반사경(308)이므로, 광섬유(310)를 사용하지 않고, 반사 기능을 가진 광학 소자를 사용하여 레이저를 전달할 수 있다. 마찬가지로, 본 실시예는 분광 비율 a 및 지연 시간 T를 조정하는 것을 통해,, 기판 표면의 온도가 용융점 근처에서 비교적 오래 유지되게 할 수 있다. 이로써 도8에 도시된 바와 같이, 레이저의 에너지 이용율을 높이고 어닐링 효과를 개선할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저 어닐링 방법을 더 제공하며, 도1 내지 도8을 참조할 수 있다. 그러나 상기 레이저 어닐링 방법에서 사용한 어닐링 장치는 실시예1, 실시예2의 구조에 한정되지 않으며, 상기 레이저 어닐링 방법은,
균일한 싱글 펄스(single pulse) 레이저를 제공하는 단계;
상기 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 서브 펄스 레이저로 분해하는 단계; 및
상기 서브 펄스 레이저를 이용하여 기판(204)에 연속적으로 조사시켜 상기 기판(204)의 표면 온도를 소정 범위 내에서 안정적으로 유지되게 하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 서브 레이저 펄스로 분해하는 상기 단계는, 구체적으로
a) 설정된 분광 비율에 따라 제1분광미러를 선택하는 단계;
b) 상기 싱글 펄스는 상기 제1분광미러를 통해 두 개로 나눠지고, 그 중 하나는 직접적으로 기판(204)에 조사되는데 사용되며, 다른 하나는 지연기(301)에 진입하여 지연 후 출사하는 단계;
c) 상기 지연기(301)에서 출사된 빔이 다시 상기 제1분광미러를 통과한 후 두 개로 나눠지고, 그 중 하나는 상기 기판(204)를 조사하는데 사용되며, 다른 하나는 다시 상기 지연기(301)에 진입하여 지연 후 출사하는 단계; 및
d) 단계 c)를 반복하거나, 또는 설정된 분광 비율에 따라 제1분광미러를 선택 후 다시 단계 c)를 반복하는 단계를 포함한다.
상기 지연기(301)는 양면이 평행하는 양면 반사경(304, 305), 및 각도 또는 위치 조절이 가능한 출사단과 수신단을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 출사단 및 수신단의 각도 또는 위치 조절을 통해 상기 지연기의 지연 시간을 조절할 수 있다. 바람직하게는, 도2에서 도시된 바와 같이, 상기 출사단 및 수신단은 각각 출사헤드(303) 및 수신 헤드(306)이며, 또는 도3에서 도시된 바와 같이, 상기 출사단 및 수신단은 출사 반사경(309) 및 수신 반사경(308)일 수 도 있다.
결론적으로, 본 발명이 제공하는 레이저 어닐링 장치 및 레이저 어닐링 방법은, 싱글 펄스 레이저를 지연 수요및 에너지 비율에 따라 복수개의 레이저 펄스로 분해시킬 수 있으며, 이러한 레이저 펄스를 연속적으로 조사할 때 어닐링 기간에서 실리콘 웨이퍼의 표면온도를 장시간 용융점 근처 또는 어닐링에 필요한 온도 근처에서 유지되게 함으로써 레이저의 에너지 이용율을 높이고 어닐링 효과를 개선할 수 있다.
명백하게, 본 분야의 당업자들은 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에 대해 각종 변경 및 변형을 진행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 변경 및 변형이 본 발명에 따른 청구항 및 그와 균등한 기술 범위 내에 속한다면, 본 발명에서도 이러한 변경 및 변형을 포함하고자 명시한다.

Claims (16)

  1. 레이저 어닐링 장치로서,
    균일한 싱글 펄스(single pulse) 레이저를 제공하는데 사용되는 레이저빔 발생 모듈;
    상기 싱글 펄스 레이저를 복수개의 서브 펄스 레이저(sub-pulsed lasers)로 분해하는데 사용되는 순환 지연 장치;
    상기 서브 펄스 레이저를 기판에 집중시키는데 사용되는 광학 모듈;
    상기 기판에 적어도 하나의 자유도 변위를 제공하는 운동 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 순환 지연 장치는 적어도 지연기; 분광부; 및 내부 제어모듈을 포함하며, 상기 내부 제어 모듈은 상기 지연기의 지연 및 상기 분광부의 분광 비율을 제어하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 순환 지연 장치는 상기 분광부 및 상기 지연기 간의 레이저 전달에 사용되는 복수개의 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지연기는 미러면이 평행하는 양면 반사미러; 및
    각도 또는 위치 조절이 가능한 출사단 및 수신단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출사단 및 수신단은 각각 출사 헤드 및 수신 헤드, 또는 출사 반사경 및 수신 반사미러 인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 내부 제어 모듈은 상기 출사단 및 수신단의 각도 또는 위치를 조절하는 것을 통해 상기 지연기의 지연을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 분광부는 복수개의 투과율이 다른 제1분광미러 및 회전축을 포함하고, 상기 내부 제어 모듈은 상기 회전축을 구동하여 선택된 제1분광미러를 변경시킴으로써 상기 분광부의 분광 비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 제1분광미러에서 상기 회전축까지의 거리가 서로 같은 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 내부 제어 모듈과 연결되어 지연 명령 및 분광 비율 명령을 상기 내부 제어 모듈에 발송할 수 있는 주 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 레이저빔 발생 모듈은 레이저기기;
    광도 조절기;
    제2분광미러;
    에너지 검출기;
    레이저 제어기; 및
    환경 제어 유닛을 포함하고,
    상기 레이저기기에서 출사된 레이저는 상기 광도 조절기를 통하여 조절된 후 다시 상기 제2분광미러를 통하여 분광되며, 그 중 레이저의 대부분은 상기 순환 지연 장치에 진입되고, 나머지 부분은 상기 에너지 검출기에 진입되며, 상기 에너지 검출기는 레이저 에너지를 탐측하고 탐측 결과를 상기 레이저 제어기에 전송하며, 상기 환경 제어 유닛은 상기 레이저기기의 작업 환경 정보를 탐측하고 탐측 결과를 상기 레이저 제어기에 전송하며, 상기 레이저 제어기는 환경 제어 유닛 및 에너지 검출기 양자의 탐측 결과에 따라 상기 레이저기기의 작동을 제어하고, 상기 레이저 제어기 및 상기 환경 제어 유닛은 상기 주 제어기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광학 모듈은 빔 확대기;
    도징 장치;
    제1집광렌즈부;
    제3분광미러;
    제2집광렌즈부 및
    초점면 검출기를 포함하며,
    순환 지연 장치에서 출사된 서브 펄스 레이저는 순차적으로 상기 빔 확대기 및 도징 장치의 처리를 거친 후 다시 상기 제3분광미러를 거쳐 분광되며, 그 중 일부 서브 펄스 레이저는 상기 제1집광렌즈부를 통과 후 상기 기판 표면에 주사되며, 다른 일부의 서브 펄스 레이저는 상기 제2집광렌즈부를 거쳐 상기 초점면 검출기에 주사되고, 상기 초점면 검출기는 검출된 초점면 정보를 상기 주 제어기로 출력시키고, 상기 주 제어기는 해당 초점면 정보에 따라 상기 운동 스테이지의 운동을 제어하여 기판을 최적의 초점면 위치에 도달하게 하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 장치.
  12. 레이저 어닐링 방법으로서,
    균일한 싱글 펄스 레이저를 제공하는 단계;
    상기 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 서브 펄스 레이저로 분해하는 단계; 및
    상기 서브 펄스 레이저를 이용하여 기판에 연속적으로 조사시켜, 상기 기판의 표면 온도를 소정 범위 내에서 안정적으로 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 싱글 펄스 레이저를 지연 수요 및 에너지 비율에 따라 복수개의 펄스 레이저로 분해하는 상기 단계는,
    a) 설정된 분광 비율에 따라 제1분광미러를 선택하는 단계;
    b) 상기 싱글 펄스는 상기 제1분광미러를 통과한 후 두 개로 나눠지고, 그 중 하나는 직접적으로 상기 기판에 조사하는데 사용되며, 다른 하나는 지연기에 진입하여 지연 후 출사하는 단계;
    c) 상기 지연기에서 출사된 빔이 다시 상기 제1분광미러를 통과한 후 두 개로 나눠지고, 그 중 하나는 상기 기판을 조사하는데 사용되며, 다른 하나는 다시 상기 지연기에 진입하여 지연 후 출사하는 단계; 및
    d) 단계 c)를 반복하거나, 또는 설정된 분광 비율에 따라 제1분광미러를 선택 후 다시 단계 c)를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 지연기는 미러면이 평행하는 양면 반사경; 및 각도 또는 위치 조절이 가능한 출사단 및 수신단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 출사단 및 수신단의 각도 또는 위치 조절을 통해 상기 지연기의 지연시간을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 출사단 및 수신단은 각각 출사헤드 및 수신 헤드, 또는 출사 반사경 및 수신 반사경인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐링 방법.
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