KR20190017000A - 라인 빔들을 이용한 향상된 열처리 방법 - Google Patents

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스코티 알. 칼센
키이스 더블유 케네디
로버트 제이 마틴센
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엔라이트 인크.
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Abstract

다중 빔, 다중 파장 처리 시스템은 기판에 각각의 빔들을 제공하도록 구성된 두 개 이상의 레이저들을 포함한다. 빔들은 파장들, 펄스 지속 시간들, 빔 영역들, 빔 강도들, 펄스 에너지들, 편광들, 반복율 및 독립적으로 선택할 수 있는 다른 빔 속성들을 포함한다. 국부적 가열을 필요로하는 공정에서 기판의 변형은 제 1 파장에서 큰 영역의 빔을 이용하여 먼저 가열하고, 원하는 공정 온도로 국부적 영역을 가열하기 위해, 제 2 파장에서 포커싱된 빔에 노광됨으로써 감소될 수 있다. 일부 처리 과정을 위해, 다중 파장들은 기판 내에서 원하는 에너지 증착을 획득하도록 선택된다.

Description

라인 빔들을 이용한 향상된 열처리 방법{IMPROVED THERMAL PROCESSING WITH LINE BEAMS}
본 발명은 다파장 레이저 기반의 물질 처리에 관한 것이다.
많은 제조 공정들은 하나 이상의 레이저 기반 물질 처리 단계들을 포함한다. 펄스 레이저 빔들에 대한 노광은 재료 어블레이션(material ablation), 재결정(recrystallization), 어닐링(annealing), 또는 다른 공정들를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 펄스 레이저 빔들은 실리콘 레이어들 국부 결정화(local crystallization)을 촉진시키기 위해 형태가 없는 실리콘을 국부적으로 녹이는데 이용된다. 다른 예들로, 레이저 펄스들은 어블레이션 과정을 기초로 표면층을 제거하는데 적용된다. 연속파(continuous wave) 레이저들은 용접 및 다른 공정들에 이용된다. 상기 레이저 기반 공정들은 처리 분야들의 정확한 제어를 허용하며, 일부 빔들은 광섬유 기반의 빔 전달 시스템들로 편리하게 전달된다. 그러나, 이용 가능한 처리 방법들은 선택된 파장에 대한 물질들의 고유의 광학적 응답에 의해 제한된다. 상기 제한들은 레이저 기반의 광학적 처리를 이용한 물질 처리의 종류들 및 달성 가능한 성능을 제한하는 경향이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이저 기반의 광학 처리를 이용한 물질 처리의 종류들 및 달성 가능한 성능을 제한하지 않는 다파장 레이저 기반의 물질처리를 제공하는데 있다.
노광 장치들은 제 1 광학 빔을 받도록 결합된 제 1 광섬유 및 제 2 광학 빔을 받도록 결합된 제 2 광섬유를 포함한다. 제 1 광학 빔은 제 1 파장으로 연결되고, 제 2 광학 빔은 제 2 파장으로 연결된다. 광학 시스템은 제 1 광섬유로부터 제 1 광학 빔 및 제 2 광섬유로부터 제 2 광학빔을 받도록 위치되며, 제 1 라인 빔과 제 2 라인 빔을 각각 기판의 표면으로 전달하도록 위치된다. 일부 예들에서, 제 1 및 제 2 라인 빔들은 각각 길이들과 폭들을 가지며, 상기 길이는 폭보다 크며, 적어도 하나의 길이에 대응하는 길이를 갖는 영역에서 기판의 표면에 부분적으로 겹친다. 다른 예들에서는, 제 1 및 제 2 라인 빔들은 각각 길이들과 폭들을 가지며, 상기 길이들은 폭들보다 크고, 제 1 및 제 2 라이 빔들은 적어도 하나의 넓이에 대응하는 방향으로 표면에서 이격되어 있다. 각각의 예들에서, 제 1 라인 빔은 제 2 라인빔의 영역보다 큰 영역을 가지며, 제 2 라인 빔의 영역은 표면에서 제 1 라인빔의 영역 내에 포함된다. 몇 가지 대안으로, 제 1 파장 및 제 2 파장은 다른 파장들을 가지며, 제 1 라인 빔 및 제 2 라인 빔은 기판의 표면에 실질적으로 겹친다. 또 다른 실시예들에서, 제 1 광학 빔은 제 1 펄스 지속시간 및 제 1 펄스 반복율과 관련된 펄스형 광학 빔이며, 제 2 광학 빔은 제 2 펄스 지속시간 및 제 2 펄스 반복율과 관련된 펄스형 광학 빔이다. 일반적으로, 제 1 펄스 지속시간 및 제 2 펄스 지속시간이 다르거나, 제 1 펄스 반복율과 제 2 펄스 반복율이 다르다.
추가적인 예들에서, 제 1 라인 빔은 제 2 라인 빔의 영역 보다 큰 기판의 표면에 영역을 포함하며, 제 1 광학 빔은 제 2 파장보다 기판에서 더 작은 흡수 계수를 가지는 파장이다. 일부 실시예들에서, 제 1 광섬유는 제 2 광섬유의 코어 직경(core diameter)과 다른 코어 직경을 가진다. 다른 예들에서, 스캐닝(scanning) 시스템은 라인 빔들을 스캔하도록 동작하여 제 1 라인 빔은 제 2 라인 빔 전에 기판 영역을 통해 스캔된다. 여전히 또 다른 예들에서, 제 1 라인 빔은 제 2 라인 빔에 대한 기판의 영역의 노광 전에 기판의 영역을 가열하도록 구성된다. 다른 대안들로, 광학 시스템은 제 1 광학 시스템 및 제 2 광학 시스템을 포함하고, 상기 제 1 광학 시스템은 제 1 라인 빔을 형성하도록 위치되고, 제 2 광학 시스템은 제 2 라인 빔을 형성하도록 위치된다. 다른 실시예들에 따르면, 제 1 라인 빔은 기판을 용접하도록 구성되고, 제 2 라인 빔은 용접된 기판을 어닐링 하도록 구성된다.
방법은 제1 레이저로부터 제 1광학 빔 및 제 2 레이저로부터 제 2 광학 빔을 선택하는 것을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 광학 빔들은 다른 파장들로 존재한다. 일부 실시예들에서, 제 1 및 제 2 파장 빔들 중 하나 또는 모두는 펄스형 광학 빔들이다. 제 1 광학 빔 및 제 2 광학 빔은 성형되고, 기판의 제 1 표면은 선택되고 성형된 광학 빔들에게 노광된다. 일반적으로, 성형된 제 1 광학 빔의 영역은 성형된 제 2 광학 빔의 영역보다 크다. 일부 예들에서, 성형된 제 1 및 제 2 빔들은 적어도 기판의 제 1 표면에서 부분적으로 겹친다. 다른 예들에서, 성형된 제 1 및 제 2 빔들은 기판의 제 1 표면의 반대편인 기판의 제 2 표면으로 반사된다. 다른 예들에 따르면, 기판은 두께를 가지며, 제 1 성형 빔은 두께를 따라 전파할 때, 실질적으로 흡수되기 위해 기판으로 입사된다. 성형된 제 2 빔은 기판의 제 1 표면의 반대편인 기판의 제 2 표면으로부터 반사된다. 다른 예들에서, 성형된 제 1 빔은 기판의 열 처리를 위해 선택되며, 성형된 제 2 빔은 기판에서 응력(stress)을 감소하기 위해 선택된다. 일부 실시예들에서, 실질적으로 성형된 제 1 빔은 기판의 제 1 표면에 근접하여 흡수되도록 선택된다. 다른 예들에서, 기판은 제 1 표면에 형성된 도전층(conductive layer)을 포함하며, 성형된 제2 빔은 도전층에서 실질적으로 흡수되도록 선택되며, 성형된 제 2 빔은 기판에서 흡수되도록 선택된다. 특정예에서, 성형된 제 1 빔은 도전층을 제거하기 위해 선택된다. 추적인 예들로, 기판은 제 1표면에 근접한 도핑 영역(doped region)을 포함하는 반도체 기판이며, 성형된 제 1 빔은 반도체 기판으로 도펀트(dopant)를 확산하도록 선택된다.
방법들은 선택된 파장으로 기판에 대한 흡수 계수를 결정하는 것을 포함한다. 빔은 기판으로 포커싱 되어, 광학 빔으로부터 기판에 의해 흡수된 단위 면적당 파워(power)는 전파거리 전체에 걸쳐 일정하며, 광학 빔 파워는 2, 3, 5 또는 10의 인자에 의해 감쇄된다.
상기의 목적들, 특징들 및 공개된 기술의 이점은 하기의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이며, 상세한 설명은 관련 특징들을 기초로 진행될 것이다.
레이저 기반의 광학 처리를 이용한 물질 처리의 종류들 및 달성 가능한 성능을 제한하지 않는 다파장 레이저 기반의 물질처리를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 다른 파장들의 빔들이 공간적으로 겹쳐지도록 구성된 다중 파장, 다중 레이저 처리시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 공통 기판 영역에 대해 다른 파장들의 빔들을 순차적으로 제공하도록 구성된 다중 파장, 다중 레이저 처리 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3은 기판에서 빔 흡수를 조정하기 위해 처리한 빔을 반사하도록 구성된 층을 포함하는 기판을 도시한다.
도 4는 다중 파장 광학 빔을 제조하도록 인터리브 하는 빔을 도시한다.
도 5는 다른 영역들의 빔들에게 노광된 기판 영역을 도시한다.
도 6은 결합된 빔으로 용접되는 랩(lap)을 도시한다.
도 7a는 다중 스펙트럼 노광들을 위한 광학 시스템을 도시한다.
도 7b는 세 개가 겹치거나 겹치지 않는 라인 빔을 생성하는 시스템을 도시한다.
도 8은 기판에서 다중 파장 흡수를 도시한다.
도 9는 단위 부피당 제어되는 에너지 증착을 포함하는 집속 빔(focused beam)을 도시한다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 문맥이 명백히 달라지지 않는 한, 단수 형태는 복수형태를 포함한다. 추가적으로, “포함한다(includes)”라는 용어는 “구성한다(comprises)”를 의미한다. 또한, “결합된(coupled)”이라는 용어는 결합된 항목들 사이에서 중간 요소들의 존재를 배제하지 않는다.
상술된 시스템들, 장치들 및 방법들은 어떤 방식으로 제한되어 구성되지 않는다. 대신에, 본 발명은 모든 신규사항, 명백하지 않은 특징들 및 다양하게 공개된 실시예들을 가지고 단독, 서로 다양한 조합 및 하위 조합으로 전달된다. 공개된 시스템들, 방법들 및 장치들은 구체적인 관점 또는 특징 또는 조합들로 제한되지 않지만, 공개된 시스템들, 방법들 및 장치들은 어떤 하나 이상의 구체적인 장점이 나타나도록 하며, 문제들이 해결되도록 한다. 동작을 설명하는데 임의의 이론은 용이하지만, 공개된 시스템들, 방법들 및 장치들의 동작은 상기 이론들로 한정되지 않는다.
일부 공개된 방법들의 동작들이 쉽게 설명되기 위해, 특정한 순서대로 설명되지만, 특정 순서가 아래에 명시된 구체적인 언어를 필요하지 않으면, 설명의 방법은 재배열되는 것을 포함하도록 이해되어야 한다. 예를 들면, 순차적으로 상술된 동작들은 일부 경우에 있어서는 재배열되거나 또는 동시에 수행될 수 있다. 그러나, 간단히 하기 위해서, 첨부된 도면은 공개된 시스템들, 방법들 및 장치들이 다른 시스템들, 방법들 및 장치들의 조합으로 사용될 수 있는 다양한 방법들을 보여주지 않는다. 추가적으로, 때때로 설명은 “생산하다(produce)” 및 “제공하다(provide)”과 같은 용어들을 사용하며, “제공하다”는 공개 방법들을 설명하는데 이용된다. 이러한 용어들은 수행되는 실제 작업들의 높은 수준의 추상화이다. 상기 용어들에 대응하는 실제 동작들은 특정 실행에 따라 다양할 것이며, 종래 기술 중 하나에 의해 쉽게 알 수 있다.
일부 예들에서, 값들, 정차들 또는 장치들은 “최저”, “최고”, “최소”등으로 지칭된다. 설명들은 많이 사용된 기능적 대안들 사이에서 선택이 이루어질 수 있으며, 상기 선택들은 더 좋고, 작거나, 다른 선택들에서 바람직할 필요는 없다고 나타나는 경향이 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와같이, 광학 빔은 일반적으로 약 20 μm 내지 100 nm 의 파장으로 전자기 방사선을 전파하는 것을 말한다. 일부 예들에서, 약 400nm 및 2 μm 사이 파장들이 바람직하다.
도 1를 참조하면, 처리 시스템(100)은 제 1, 제 2 및 제 3 파장 각각으로 펄스들 또는 지속적인 광학 빔들을 제공하는 레이저들(102, 104, 106)를 포함한다. 두 개 이상의 레이저들은 다른 예들에서 제공될 수 있거나, 단일 레이저는 고조파 발생 또는 다른 비선형 과정들과 같은 다중 파장 광학 펄스들을 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 단일 레이저는 파장을 가변할 수 있다. 세 가지의 파장들은 도 1의 예에서 사용되는 반면, 상기 파장들은 구별할 필요가 없다. 하나 이상의 레이저들은 일반적인 파장에 추가 파워를 제공하거나, 지속적인 광학 파워의 선택적 혼합 또는 상이한 펄스 지속 시간 및 펄스 반복율의 혼합을 제공하기 위해 일반적인 파장을 제공할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 큐브 빔 스플리터(cube beam splitter)(110)는 레이저들(102, 104)로부터 빔들을 받으며, 큐브 빔 스플리터(114)에게 축(116)을 따라 혼합된 빔들을 전달하도록 위치되어 있다. 세 개의 빔들이 결합되고, 기판(118)으로 축(116)을 따라 전파되기 위해, 레이저들(102, 104)로부터 결합된 빔은 큐브 빔 스플리터(114)에 레이저(106)로부터 빔으로 결합된다. 결합된 빔들은 빔 성형 광학 시스템(117)을 이용하여 라인 빔 또는 집속 스팟(focused spot)과 같은 적절한 빔 형태로 형성된다. 빔들은 일반 축을 따라 전파하지만, 레이저들(102, 104, 106)로부터의 빔들은 빔 성형 광학 시스템(117)에 의해 다르게 성형되거나, 빔을 쏘기 위한 축(116)에 관하여 다른 각도들로 전파되거나, 서로 변위될 수 있다. 일부 예들에서, 빔 성형 광학 시스템(117)은 빔 균질화(homogenizer) 및 기판(118)에서 균질화된, 다중 파장 라인 빔을 생성하도록 구성된 하나 이상의 원통형 렌즈들을 포함한다.
도 1의 시스템(100)은 큐브 빔 스플리터들을 나타낸다. 일부 예들에서, 큐브 빔 스플리터들은 선택된 파장 조합을 생성하기 위해 요구되는 것으로써, 다양한 파장들로 빔들을 전송하거나 반사하고, 파장에 독립적인 유전체 필터(dielectric filter)들을 포함한다. 또한, 플레이트 빔 스플리터들이 사용될 수 있으며, 다양한 빔들에 대한 서로 다른 입사각이 사용될 수 있으며, 큐프 빔 스플리터의 다이크로익 층(dichroic layer)에 대한 45도의 입사각은 도1에 간략하게 도시된다. 편광 빔 스플리터들은 편광된 레이저 빔들을 다른 파장들 또는 동일한 파장으로 결합하는데 사용될 수 있고, 파장판(wave plate)들은 편광 빔 스플리터들로 적합한 편광 상태(SOPs: states of polarization)를 형성하도록 삽입될 수 있다.
레이저들(102, 104, 106)은 빔 파워들, 펄스 에너지들, 반복율들 및 파장 조합들을 선택하는데 사용되는 제어 시스템(108)과 결합된다. 메모리 또는 다른 컴퓨터 판독 장치(124)는 기판(118)에 대한 노광 조건을 저장하도록 구성된다. 다른 예들에서, 제어기는 로컬 영역 네트워크 또는 광역 네트워크를로 스캔 요구사항들을 수신하며, 이더넷 어댑터(Ethernet adaptor)와 같은 네트워크 어댑터를 포함한다. 또한, 제어 시스템(108)은 결합된 광학 빔들에 관한 기판(118)을 위치시키고, 스캔하는 기계적인 스테이지(stage)(126)와 결합되어 있다. 일부 예들에서, 빔 성형 광학 시스템 및 다른 일부의 빔 전달 광학 시스템은 적합한 기판 위치들에 결합된 빔을 전달하기 위해 이동할 수 있다. 다른 예들에서, 광학 빔과 기판(119) 모두는 이동되거나 스캔될 수 있다.
기판(118)은 표면층(120) 및 벌크(bulk) 기판층(122)을 포함한다. 표면층은 비정질 실리콘층(amorphous silicon layer), 인듐 주석 산화물층(indium tin oxide layer) 또는 다른 층들일 수 있으며, 벌크 기판(122)은 유리, 실리콘 또는 다른 유전체, 반도체 또는 금속과 같은 전도성 물질 또는 플라스틱일 수 있다. 또한, 추가로, 제어 시스템(108)은 처리, 빔 파워들 및 다른 공정 파라미터들을 관찰하는 검사 또는 측정 장치와 결합될 수 있어, 제어 시스템(108)이 처리 파라미터들을 보고하고, 에러 통지(error notification)들을 통신하고, 처리를 중단하거나, 실제 노광 파라미터들을 기초로한 처리 보고를 알릴 수 있도록 한다.
도 2를 참조하면, 노광 장치(exposure apparatus)(200)는 제 1, 제 2 및 제 3 파장들 각각으로 광학 빔들을 생성하는 레이저들(204, 208, 212)를 포함하는 광학 스캐닝 시스템(optical scanning system)을 포함한다. 레이저(204)로부터 빔은 기판(216)으로 전달되기 위해, 축(206)을 따라 전달되며, 빔 성형 광학 시스템(205)에 의해 성형된다. 레어저들(208, 212)로부터 빔들은 기판(216)으로 전달되기 위해, 각각의 축(210, 214)을 따라 전달되며, 각각의 빔 성형 광학 시스템들(209, 213)에 의해 성형된다. 광학 스캐닝 시스템은 기계적인 스테이지(218)와 결합되어, 기판이 축(206, 210, 214)에 대하여 연속적 또는 단계적으로 이동될 수 있다.
도 2를 참조하면, 기판(216)은 이동되어, 선택된 기판 영역이 레이저들(204, 208, 212)로부터 순차적으로 빔들을 접촉하며, 레이저(212)에서 빔을 시작한다. 빔 파라미터들은 각각의 빔들에 대해 독립적으로 조정될 수 있으며, 빔들은 다른 영역으로 입사하거나, 부분적으로 겹치도록 성형될 수 있다.
빔 파장들, 펄스 지속 시간들, 빔 형태 및 다른 빔 특성들을 선택하는 것은 특정한 적용(application) 및 기판에 따라 선택될 수 있다. 또한, 빔의 초점은 기판에서의 빔의 흡수에 의존하여 위치가 결정되도록 조정될 수 있다. 도 3을 참조하면, 입력 광학 빔(304)은 기판(310)으로 전달되는 수렴 빔(converging beam)(308)을 형성하기 위한 렌즈(306)에 의해 포커싱 된다. 광학 빔(304)은 복수의 파장에서 광학 방사선을 포함할 수 있어, 상이한 파장 부분들은 다르게 흡수된다. 세 개의 다른 빔 파장들에 대해 흡수 계수
Figure pat00001
,
Figure pat00002
, 및
Figure pat00003
을 가지는 기판 물질에 대하여, 초기(표면) 강도의 함수로써, 기판(310)에서 빔의 강도는 각각
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
에 비례한다. 파장 및 초기의 빔 강도들을 적합하게 선택함으로써, 기판(310)에서 에너지의 흡수는 사용자 정의에 의해 조절될 수 있다. 일부 예들에서, 더욱 균일하게 부피의 가열을 이룬다. 추가로, 일부 또는 전체의 파장 부분들이 기판(310) 전체 또는 일부 초점 위치들 내부에 존재하도록 빔 초점 거리는 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 파장에서 빔들은 출사면(exit surface)(310B)에서 제공된 반사층(312)에 의해 반사된 후에만, 전면(310A)에 집중될 수 있다. 그러므로, 반사층(312)은 보다 균일한 빔의 흡수뿐만 아니라, 기판(310)을 빠져나가는 빔 파워의 보다 효율적인 사용을 허용할 수 있다. 어떤 경우에는, 반사 표면은 동일한 목적을 위해서 아래에 위치된다.
복수의 독립 빔(independent beam)들을 전달하기 위한 다른 장치는 도 4에 도시된다. 빔 인터리버(beam interleaver)(400)은 유리 또는 유전체 코팅들(404, 406, 408)과 함께 제공되는 투명판과 같은 기판(402)를 포함한다. 예로, 유전체 코팅들(404, 408)은 축(414, 418)을 따라 전파하는 광학 빔들을 반사하도록 선택되며, 유전체 코팅(406)은 축(416)을 따라 수신되는 광학 빔을 전송하도록 구성된다. 결합된 빔들은 일반 축을 따라 전달되나 변위되는 점에서 함께 전파한다. 빔 인터리버들은 다른 배열의 반사 영역 및 투과 영역으로 구성될 수 있다. 일부 또는 모든 파장들은 특정한 적용에 적합할 수 있도록 동일하거나 다를 수 있다.
다중 파장, 다중 빔 처리는 다양한 적용들에서 사용될 수 있다. 도 5를 참조하면, 기판(502)은 기판 영역(504)에서 제 1 빔으로 노광된다. 제 1 빔은 용접 또는 납땜 작업에 필요한, 크고 빠른 온돈 상승에 관련될 수 있다. 기판 영역(504)에서 용접 작업과 관련된 열응력(thermal stresses)은 기판 영역(506)에서 기판(502)을 제 2 빔에 노광됨으로써 완화될 수 있다. 제 2 빔은 동일하거나 상이한 파장일 수 있으며, 기판(502)의 선택된 부피가 열 흡수되도록 흡수 성질을 가질 수 있다. 제 2 빔 또는 “응력 제거(stress relief)”빔은 제 1 빔에 노광전, 제 1 빔에 노광되는 동안 또는 제 1 빔에 노광된 후에 적용될 수 있다. 적합한 파장들은 기판 특성, 기판에서 정의된 층들이나 기능들을 기초로 선택된다. 실리콘 기판들은 근적외선에 투과되고, 800 nm 및 1 μm 사이의 급속하게 변하는 흡수계수의 값을 가져, 상기 범위 내에서 파장들은 다른 흡수율을 제공하는데 사용될 수 있다. 플라스틱 및 유리는 더 긴 파장들로 흡수되는 경향이 있으며, 약 1.5 μm 및 2.5 μm 사이의 파장인 빔들이 적합할 수 있다.
도 3을 참조하면, 기판들은 반사, 흡수 또는 다른 층들을 포함함으로써,
다양한 공정들을 수용하도록 구성된다. 일부 경우에, 공정 처리되는 기판들은 반사 또는 흡수층들로 사용될 수 있는 층들을 포함하며, 특수 목적 층들이 요구되지 않을 수 있다. 도 6을 참조하면, 기판(602, 604)은 광학 빔(610)에 대한 노광에 의해 용접되는 단계가 되도록 위치된다. 광학 빔(610)의 파장은 선택될 수 있어, 광학 빔(610)이 하나 또는 두 개의 기판들(602, 604)에 제공되는 흡수층(606)에 전송된다. 흡수층(606)의 광학적 가열은 기판들(602, 604)의 용접을 허용할 수 있다. 다른 예들에서, 기판들(602, 604)은 보다 균일한 가열을 제공하기 위해 양 측면들에 조사한다(illuminate). 광학 빔(610)은 용접 없이 기판들(602, 604)를 가열하도록 선택된 제 1 빔 일부를 포함할 수 있으며, 제 2 빔 일부는 용접을 완성하도록 적용된다.
일부 처리 과정들은 특정 온도로 가열하는 것을 요구한다. 일부 경우에, 처리를 위해 더 작은 온도 변화가 요구되도록 선택된 선택된 영역에 먼저 열을 가하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 우선, 상대적으로 긴 기간의 광 펄스는 온도를 상승하도록 하고, 훨씬 더 짧은 광학 펄스의 적용은 목표 온도를 달성하도록 사용될 수 있어, 목표 온도는 단독으로 제 1 펄스에서 사용될 수 있는 것보다 더 짧은 시간 동안 목표 온도가 된다.
다중 빔 처리의 다른 예들에서, 큰 영역에 걸쳐 플렉서블 기판(flexible substrate)을 가열하는 제 1 빔 및 국부적 가열로 인한 기판의 휨이나 구부러짐을 줄이거나 제거하기 위해 특정 공정에 대한 국부적 가열을 제공하는 제 2 빔을 이용하는 것을 포함한다. 다른 예들에서, 기판 가열은 반도체 도펀트(semiconductor dopant)들의 원하지 않는 도펀트 이동(migration)을 방지하기 위해 제어된다. 다중 빔들은 보다 균일하게 가열되도록 사용될 수 있으며, 도펀트들이 움직이는 활성 온도들을 피하도록 사용될 수 있다. 다른 예들에서, 제 1 빔으로 먼저 가열되는 기판에서 온도 상승은 활성 온도 이하이다. 짧은 펄스에서 소 영역(small area)에 대한 제 2 빔의 적용은 소 영역에 걸쳐 짧은 시간 동안 도펀트 이동을 허용한다.
다중 빔, 다중 스펙트럼 노광을 포함할 수 있는 추가 열 공정은 소위 급속 열 처리를 포함한다. 가열 속도들, 부피들 및 가열된 영역들은 펄스 지속기간들, 파장들 및 빔 형태들의 선택을 기초로 선택될 수 있다. 예를 들어, 국부 영역들(라인들 또는 스팟들)은 제 1(짧은) 펄스로 가열될 수 있으며, 하나 이상의 추가된 펄스들 또는 제 1 펄스 다음의 일련의 펄스들의 적용에 의해 동일하거나 다른 간격으로 제어되어 냉각될 수 있다. 가열은 다른 시간에(다른 영역들, 파장들 또는 지속 시간들로) 적용되는 복수의 펄스들로 유사하게 제어될 수 있다. 에너지는 파장에 대한 흡수 계수의 의존성을 기초로 다양한 깊이로 증착될 수 있다. 그러므로, 열의 시간 및 공간적인 증감율(gradient)들은 가열 및 냉각 주기 동안 제어될 수 있다. 상술된 바와 같이, 다중 빔, 다중 스펙트럼 방법들을 기초로 한 열 공정은 도펀트들, 변화층 및 기판 인터페이스 구조들을 활성화시키고, 층의 밀도를 증가시키고, 결정체를 이루거나, 층들을 부분적으로 결정체를 이루고, 태양 전지 제조, 보호막 및 패턴 정의에서 인 확산과 같은 도펀트들을 어닐링(anneal)하고, 용접하며, 확산시키는데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 제 1 빔은 용접하는데 사용될 수 있으며, 제 2 빔은 용접을 어닐링(anneal)하는데 적용된다.
물질들에서 가열하는 프로파일들의 선택은 열 확산율에 의해 복잡하게 될 수 있지만, 다중 스펙트럼 노광은 보다 빠르게 제어되는 에너지 침적을 허용한다. 도 8에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 입력 빔은 감소하는 흡수 계수를 포함하도록 선택된 세 개의 파장들에서 스펙트럼 요소들을 포함할 수 있다. 제 1 파장에서 파워는 기판(800)의 입사면(entrance surface)(802)에 근접하여 놓이고, 실질적으로 감소되지만, 제 2 및 제 3 파장들은 기판(800)에 추가로 흡수되는 것을 계속한다. 반사기(reflector)(804)는 일부 또는 모든 입사 파장들의 일부를 입사면(802)쪽으로 반사할 수도 있다.
또 다른 예에서, 빔 영역은 바람직한 에너지 분배를 제공하도록 다양화될 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면, 영역(902)의 빔은 기판(900)으로 투입되며, 깊이 z에서 영역(904)을 포함하도록 포커싱 된다. 기판의 흡수 계수가
Figure pat00007
이고, 영역이
Figure pat00008
및
Figure pat00009
이며, 단위 부피당 일정한 에너지가 증착되는 경우,
Figure pat00010
이다. 일반적으로, 포커싱 된 빔들에 대한 빔 영역은 빔 웨이스트(beam waist)에 관한 지역에 따라 선형이거나 2차 함수로 다양하고, 단위 부피당 일정한 에너지는 작은 흡수 계수들을 제외한 상당한 거리에 걸쳐 확립될 수 없다. 본 발명에서 사용된 바와 같이, 단위 부피당 실질적으로 일정한 에너지는 5%, 10%, 20%, 50% 보다 작게 하여 다양한 값들을 나타내거나, 물질 흡수 계수0.1, 0.2, 0.5, 1, 2배의 전파 길이에 대한 인자 2까지 다양한 값들을 나타내거나, 또는 광학 파워가 2, 3, 5 또는 10의 인자들에 의해 감쇄되도록 다양한 값들을 나타낼 수 있다.
다른 예들에서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 다중 빔 전달 시스템(700)은 각각의 광섬유들(703, 705, 707)을 통해 빔 균질기(712)로 결합되는 레이저들(702, 704, 706)을 포함한다. 하나 이상의 원통형 또는 구형 렌즈들과 같은 빔 형성 광학 요소(716)는 균질화된 빔을 목표물로 전달하기 위한 형태를 형성한다. 빔 균질기는 참조로 본 발명에서 통합된 파머(Farme) 등(et al.)의 미국 출원 공보 20120168411에서 공개된 바와 같이 슬래브(slab) 도광체(light guide) 또는 도파관(wave guide)이 될 수 있다. 도 7a의 구성에서 이용되는 출력 빔 형태는 입력 빔들과 동일한 경향이 있으나, 일부 경우, 빔 형성 광학 요소(716)은 다양한 파장들을 다르게 포커싱할 수 있다.
도 7b에 도시된 예에서, 다중 빔 전달 시스템(750)은 각각의 광섬유들(753, 755, 757)을 통해 각각의 라인 빔 광학장치(line beam optics)(762A 내지 762C)에 결합된 레이저들(752, 754, 756)을 포함한다. 각각의 레이저들(752, 754, 756)과 관련된 라인 빔들은 기판에 전달된다. 빔들은 겹쳐질 수 있으며, 부분적으로도 겹쳐질 수 있거나, 분리될 수 있다. 빔의 크기는 (각 레이저와 다를 수 있는) 라인 빔 광학 장치 또는 선택된 광섬유(753, 755, 757)를 기초로 선택될 수 있다. 또한, 빔 영역은 초점 분산(defocus)에 의해 결정될 수 있으며, 라인 빔 광학 장치들(762A 내지 762C)는 하나 이상의 광 섬유들(753, 755, 757)에 대해 편심될 수 있다. 레이저들(752, 754, 756)은 독립적으로 선택될 수 있으며, 동일하거나 상이한 셩태의 레이저들일 수 있고, 다양한 파장들, 펄스 지속 시간들 및 반복율들의 빔을 생성할 수 있다.
레이저 다이오드 기반의 시스템들이 편리하지만, 다양한 레이저원들이 사용될 수 있다. 일부 예들은 펄스형이며, 연속 레이저 다이오드(continuous laser diode)들, 고체 레이저(solid state lasers)들, 엑시머 레이저(excimer laser)들, 다이오드 펌프형 광섬유 레이저(diode pumped fiber laser)들을 포함하며, 어떤 레이저의 광 고조파 및 다른 비선형 제품들을 포함한다. 일부 예들에서, 레이저 다이오드에서와 같은 비흡수 펌프 방사선(unabsorbed pump radiation)은 관련된 레이저 빔과 함께 목표물에 전파하도록 한다.
도시된 실시예들을 참조하여 개시된 기술의 원리들을 설명하고, 도시함으로써, 도시된 실시예들이 상기 원리들로부터 벗어나지 않고, 순차적으로 자세하게 변형될 수 있다. 어떤 예에서 기술들은 어떤 하나 이상의 다른 예들로 서술된 기술들과 결합될 수 있다. 도시된 예들을 참조하여 서술된 봐와 같은 절차 및 기능들은 단일 하드웨어 모듈로 실행될 수 있거나, 별도의 모듈들이 제공될 수 있다고 이해될 것이다. 상기 특정 배열들은 도면을 편리하게 하기 위해 제공되며, 다른 배열들이 사용될 수 있다. 우리는 본 발명이 청구하는 청구항들의 뜻과 범위 내에서 제공하는 모든 것을 주장한다.

Claims (23)

  1. 제 1 펄스형 광학 빔을 수신받도록 결합된 제 1 광섬유;
    제 2 펄스형 광학 빔을 수신받도록 결합된 제 2 광섬유; 및
    상기 제 1 광섬유로부터 제 1 펄스형 광학 빔 및 제 2 광섬유로부터 제 2 펄스형 광학 빔을 수신받고, 제 1 라인 빔 및 제 2 라인 빔 각각을 기판의 표면으로 전달하도록 형성된 광학 시스템을 포함하고,
    상기 제 1 펄스형 광학 빔은 제 1 파장과 관련되고, 상기 제 펄스형 2 광학 빔은 제 2 파장과 관련되고,
    제 1 라인 빔 및 제 2 라인 빔은 이격되어, 각각 기판의 제 1 표면 영역 및 기판의 제2 표면 영역으로 전달되고,
    상기 제1 표면 영역과 제2 표면 영역은 서로 다르고 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제 2 라인 빔들은 각각의 길이들 및 폭을 가지며,
    상기 길이들은 상기 폭보다 크며, 상기 제 1 및 제 2 라인 빔들은 상기 폭들 중 더 넓은 폭에 대응하는 방향으로 상기 표면에서 이격되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 펄스형 광학 빔은 제 1 펄스 지속 시간 및 제 1 펄스 반복율을 갖고, 상기 제 펄스형 2 광학 빔은 제 2 펄스 지속 시간 및 제 2 펄스 반복율을 갖고, 적어도 상기 제 1 펄스 지속 시간 및 상기 제 2 펄스 지속 시간은 다르거나, 또는 상기 제 1 펄스 반복율 및 제 2 펄스 반복율이 다른 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 라인 빔은 상기 기판의 표면상에서 상기 제 2 라인 빔의 영역보다 큰 영역을 포함하며, 상기 제 1 광학 빔은 상기 제 2 파장보다 기판에서 더 작은 흡수 계수를 가지는 파장인 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 광섬유는 상기 제 2 광섬유의 코어 직경과 다른 코어 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 노광 장치는,
    상기 제 1 라인 빔이 상기 제 2 라인 빔 전에 상기 기판 영역을 통해 스캔되는 것과 같이 라인 빔들을 스캔하기 위해 구동될 수 있는 스캐닝 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 라인 빔은 상기 제 2 라인 빔에 대한 상기 기판의 영역의 노광 전에 상기 기판의 영역을 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광학 시스템은,
    제 1 광학 시스템 및 제 2 광학 시스템을 포함하며,
    상기 제 1 광학 시스템은 제 1 라인 빔을 형성하도록 위치되며, 상기 제 2 광학 시스템은 상기 제 2 라인 빔을 형성하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
  9. 제 1 펄스형 광학 빔을 수신받도록 결합된 제 1 광섬유;
    제 2 펄스형 광학 빔을 수신받도록 결합된 제 2 광섬유; 및
    상기 제 1 광섬유로부터 제 1 펄스형 광학 빔 및 제 2 광섬유로부터 제 2 펄스형 광학 빔을 수신받고, 제 1 라인 빔 및 제 2 라인 빔을 순차적으로 기판의 표면으로 전달하도록 형성된 광학 시스템을 포함하고,
    상기 제 1 펄스형 광학 빔은 제 1 파장과 관련되고, 상기 제 펄스형 2 광학 빔은 제 2 파장과 관련되고,
    상기 기판은 제1 기판이고, 제1 라인빔은 제1 기판과 제2 기판을 용접하기 위하여 구성되고, 제2 라인빔은 제1 및 제2 기판의 용접된 영역을 어닐링하기 위하여 구성되고,
    상기 기판의 표면의 선택된 영역은 제1 라인빔으로 처리되고, 그 후 제1 펄스형 광학빔과 제2 펄스형 광학빔 각각에 의하여 순차적으로 용접 및 어닐링되기 위하여 제2 라인빔을 수신받기 위하여 이동되는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  10. 제 1 레이저로부터 제 1 펄스형 광학빔 및 제 2 레이저로부터 제 2 펄스형 광학빔을 선택하는 단계;
    상기 제 1 광학 빔 및 상기 제 2 광학 빔을 성형하는 단계;
    기판의 제 1 표면을 상기 선택되고, 성형된 펄스형 빔들로 노광하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 펄스형 광학 빔들은 800 nm 내지 1000 nm 범위에서 서로 다른 파장들이며, 상기 성형된 제 1 광학 빔의 영역은 상기 성형된 제 2 광학 빔의 영역보다 크고,
    노광 중, 성형된 제1 광학빔에 노광되는 기판의 영역과 성형된 제2 광학빔에 노광되는 기판의 영역은 서로 다르고 중첩되지 않는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기판의 상기 제 1 표면의 반대편인 상기 기판의 제 2 표면으로부터 상기 성형된 제 1 및 제 2 펄스형 빔들을 반사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 기판은 두께를 가지며, 상기 성형된 제 1 펄스형 빔은 두께를 따라 전파하면서 흡수되기 위해 기판으로 입사하며, 상기 기판의 상기 제 1 표면의 반대편인 상기 기판의 제 2 표면으로부터 상기 성형된 제 2 펄스형 빔을 반사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 성형된 제 1 펄스형 빔은 기판의 열 처리를 위해 선택되고, 상기 성형된 제 2 펄스형 빔은 상기 기판에서 응력을 제거하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 성형된 제 1 펄스형 빔은 상기 기판의 상기 제 1 표면에 근접하여 흡수되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 제 1 표면상에 형성된 도전층을 포함하고, 성형된 제 1 펄스형 빔은 상기 도전층에서 흡수되도록 선택되며, 상기 성형된 제 2 펄스형 빔은 상기 기판에서 흡수되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 성형된 제 1 펄스형 빔은 상기 도전층을 제거하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제 1 표면에 근접한 도핑 영역을 포함하는 반도체 기판이며, 상기 성형된 제 1 펄스형 빔은 상기 반도체 기판내부로 도펀트를 확산시키기 위하여 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 레이저로부터 제 1 펄스형 광학빔 및 제 2 레이저로부터 제 2 펄스형 광학빔을 선택하는 단계;
    상기 제 1 광학 빔 및 상기 제 2 광학 빔을 성형하는 단계;
    기판의 제 1 표면을 상기 선택되고, 성형된 펄스형 빔들로 노광하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 펄스형 광학 빔들은 서로 다른 파장들이며, 상기 성형된 제 1 광학 빔의 영역은 상기 성형된 제 2 광학 빔의 영역보다 크고,
    상기 기판은 표면층, 벌크 기판층, 및 반사층을 포함하고,
    기판의 노광되는 표면은 표면층의 외부면이고, 및
    표면층과 벌크 기판층을 통한 투과 후 기판의 반사층에서 성형된 제1 및 제2 펄스형 빔을 반사하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    성형된 제1광학빔과 성형된 제2광학빔은 각각 제1 및 제2 파장과 연관되어, 기판에서 가열 프로파일을 조절하도록 선택되고,
    성형된 제1광학빔의 선택된 제1 파장은 제1 흡수 계수와 연관되고, 성형된 제2 광학빔의 선택된 제2 파장은 제2 흡수 계수와 연관되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제10항에 있어서,
    제1 광학빔은 기판에 대하여 깊이 방향을 따라 제1 초점 위치를 갖도록 성형되고, 제2 광학빔은 상기 기판의 깊이 방향을 따라 제2 초점 위치를 갖도록 성형되고,
    더 작은 흡수 계수와 연관된 펄스형 광학빔은 더 큰 흡수 계수와 연관된 펄스형 광학빔보다 기판에서 깊이 방향을 따라 더 먼 곳에 초점이 맞도록 성형되는 방법.
  21. 제10항에 있어서,
    제3 레이저로부터 제3 펄스형 광학빔을 선택하는 단계를 더 포함하고,
    제3 펄스형 광학빔에 연관된 파장은 제1 및 제2 파장과 다르고, 제1 및 제2 흡수 계수와 다른 제23 흡수 계수와 연관되는 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    제1 펄스형 광학빔은 기판 상에 깊이 방향으로 제1 초점 위치를 갖고, 제2 펄스형 광학빔은 기판 상에 깊이 방향으로 제2 초점 위치를 갖고, 제1 초점 위치와 제2 초점 위치는 서로 다른 것을 특징으로 하는 노광장치.
  23. 제6항에 있어서,
    상기 스캐닝 시스템은 선택된 기판 영역이 제1 펄스형 광학빔에 노출되고, 그 후 제2 펄스형 광학빔에 노출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 노광장치.

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