TW201320158A - 在雷射處理系統中的粒子控制 - Google Patents

在雷射處理系統中的粒子控制 Download PDF

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Abstract

本發明大體而言係關於：雷射處理系統，該雷射處理系統用於對基材進行熱處理。雷射處理系統包含：屏蔽，該屏蔽配置在雷射處理系統的能量源和基材之間，該基材待進行熱處理。屏蔽包含：光透明(optically transparent)的窗口，該光透明的窗口配置在屏蔽內的腔體的相鄰處。光透明的窗口允許退火能量穿越該光透明的窗口間及照射基材。屏蔽亦包含：一或多個氣體入口(gas inlet)和一或多個氣體出口(gas outlet)，該等氣體入口和該等氣體出口用於從屏蔽內的腔體引入淨化氣體(purge gas)和移除淨化氣體。淨化氣體在進行熱處理期間被利用以移除揮發的成分或剝蝕(ablated)的成分，及被利用以提供預決定的組成的氣體(例如不含氧的(oxygen-free))至熱處理的區域。

Description

在雷射處理系統中的粒子控制
在此揭示的實施例關於：一種用於製造半導體元件的設備。更為特定言之，揭示一種用於對半導體基材進行雷射退火的設備。
熱退火係在半導體製造中經常被使用的技術。製程一般性地在基材上進行，例如基材的佈植(implanting)或摻雜(doping)，及而後基材接續地進行退火以改良基材的特性。典型的熱退火製程包含：加熱基材的一部分，或加熱整個基材至退火溫度達到一段時間。
在進行熱退火期間，引入基材的材料(material)典型地移動穿過基材，但材料中的一些者揮發至在退火腔室內的基材上面的汽化空間(vapor space)。揮發物可包含：例如磷(phosphorus)、砷(arsenic)的成分，及在腔室可被排空至環境之前必須從汽化空間移除的其他的潛在性有毒的成分。此外，當熱退火基材使用具有高積分通量(fluence)的雷射時，下列者係可能的：顯露的基材的部分可剝蝕和不被期望地再沉積於熱退火系統內的基材表面或光學器件(optics)上。
因此，維持有：在處理期間對用於從熱退火設備中移除不想要的熱退火的副產物(byproducts)的有效的和具 成本效益(cost-effective)的設備之需要。
本發明一般性地關於：雷射處理系統，該雷射處理系統用於對基材進行熱處理。雷射處理系統包含：一屏蔽，該屏蔽配置在雷射處理系統的能量源和基材之間，該基材待進行熱處理。屏蔽包含：光透明的窗口，該光透明的窗口配置在屏蔽內的腔體的相鄰處。光透明的窗口允許退火能量穿越該光透明的窗口間及照射基材。屏蔽亦包含：一或多個氣體入口和一或多個氣體出口，該等氣體入口和該等氣體出口用於從屏蔽內的腔體引入淨化氣體和移除淨化氣體。淨化氣體在進行熱處理期間被利用以移除揮發的成分或剝蝕的成分，及被利用以提供預決定的組成的氣體(例如不含氧的(oxygen-free))至熱處理的區域。
在一實施例中，一種用於在雷射處理系統中減少污染物(contamination)的設備包含：主體，該主體界定腔體。主體包含：圓錐狀的部分(conical portion)，該圓錐狀的部分具有：第一端部，該第一端部具有第一直徑；及第二端部，該第二端部具有第二直徑，該第二直徑小於該第一直徑，及圓柱狀的部分(cylindrical portion)，該圓柱狀的部分接合至該圓錐狀的部分的該第二端部。透明的窗口被配置在該圓錐狀的部分的該第一端部處。
在另一實施例中，一種用於在雷射處理系統中減少污染物的設備包含：主體，該主體界定腔體。主體具有：圓錐狀的部分，該圓錐狀的部分具有第一端部，該第一端部具有第一直徑；及第二端部，該第二端部具有第二直徑，該第二直徑小於該第一直徑。圓柱狀的部分接合至圓錐狀的部分的第二端部，及圓周地圍繞圓錐狀的部分的第一端部而形成的第一氣體進入口(gas inlet port)與腔體流體相通。第二氣體進入口圓周地圍繞主體的圓柱狀的部分而形成，及第二氣體進入口與腔體流體相通。透明的窗口配置在圓錐狀的部分的第一端部處。透明的窗口具有於該透明的窗口上的塗覆，該塗覆對於具有第一波長的輻射為抗反射的(anti-reflective)，及該塗覆對於具有第二波長的輻射為反射的。
本發明一般性地係關於：雷射處理系統，該雷射處理系統用於對基材進行熱處理。雷射處理系統包含：屏蔽，該屏蔽配置在雷射處理系統的能量源和基材之間，該基材待進行熱處理。屏蔽包含：光透明的窗口，該光透明的窗口配置在屏蔽內的腔體的相鄰處。光透明的窗口允許退火能量穿越該光透明的窗口間及照射基材。屏蔽亦包含：一或多個氣體入口和一或多個氣體出口，該等氣體入口和該等氣體出口用於從屏蔽內的腔體引入淨化氣 體和移除淨化氣體。淨化氣體在進行熱處理期間被利用以移除揮發的或剝蝕的成分，及被利用以提供預決定的組成(例如不含氧(oxygen-free))的氣體至熱處理的區域。
第1圖係根據本發明的一實施例的雷射處理系統100的截面圖。雷射處理系統100包含：能量源102，該能量源耦接至支座104，例如蓋或托架(bracket)。屏蔽106配置在能量源102的相鄰處。屏蔽106耦接至基材支座圍體108及屏蔽106配置在基材支座110的上面，該基材支座於該基材支座上支撐基材112。能量源102包含：光源及雷射介質(例如雷射)，該能量源產生熱處理能量118，該熱處理能量穿過窗口114和設置在屏蔽106內的開口116導引朝向基材支座110。基材支座110可為精確的x-y座標台(x-ystage)，該x-y座標台經調適以將基材112放置在相對於能量源102的所欲的位置。開口111(例如狹縫閥)形成在基材支座圍體內以允許基材112的進入和移出。考慮到：基材支座110可藉由致動器113被垂直地致動，以促進：從基材支座圍體108中移除基材。
屏蔽106藉由緊固件122(例如螺栓)被緊固至基材支座圍體108的上表面120，以在處理期間維持屏蔽106在固定的位置。熱處理能量118大致上與窗口114和屏蔽106的開口116同軸地對齊。熱處理能量118穿過屏蔽106導引向基材112的表面。窗口114和開口116大致上為夠大的以容納熱處理能量118，而不阻絕熱處理能量118的一部分到達基材112。藉由移動基材支座110和設 置於該基材支座110上的基材112，而設置基材112的連續的部分以接收熱處理能量118。在處理期間，基材支座圍體108的下表面被設置在離基材112的上表面大約10微米(micron)至大約2毫米(millimeter)。
第2圖係根據本發明的一實施例的屏蔽106的等距的截面圖。屏蔽106包含：主體220，該主體從不銹鋼或鋁中形成。主體220具有：中空的漏斗的形狀，該中空的漏斗的形狀界定腔體222。主體220的漏斗的形狀包含：圓錐狀的部分224和圓柱狀的部分237。圓錐狀的部分224的較小的直徑端部225過渡至圓柱狀的部分237於表面227處，該表面為圓形的或曲面的(curved)。當利用產生圓錐-形狀的射束的退火能量源時，圓錐狀的部分224的錐形(taper)和大小可經選擇以對應於退火能量射束的圓錐形狀的錐形和大小。
窗口114被配置在主體220的圓錐狀的部分224的較大的直徑的端部處，及窗口114被設置在凹部230內。窗口114從光透明的材料中形成，例如石英(quartz)、藍寶石(sapphire)，或熔融矽石(fused silica)，以允許退火能量穿越窗口114間，及窗口114可具有：大約1毫米至大約20毫米的範圍內的厚度。在一實施例中，窗口114可具有於窗口114上的塗覆(例如抗反射(anti-reflective)的塗覆)。在另一實施例中，窗口114可具有於窗口114上的塗覆，該塗覆處在對應於熱處理能量118的波長(例如從大約200奈米(nanometer)至大約 1100奈米的雷射輻射帶(laser band))的第一波長時為抗反射的，及該塗覆處於第二波長時為高度-反射的(highly-reflective)。第二波長可對應於高溫計(pyrometer)的波長，例如大約800奈米至大約2.2微米。在窗口114上的塗覆(該塗覆處於第一波長時為抗反射的及該塗覆處於第二波長時為高度-反射的)在處理期間增進基材112的溫度量測。基材的溫度量測係藉由下列方式來增進：在主體220內建立反射腔體(reflectivity cavity)而用於由高溫計來偵測輻射。反射腔體增進：靶材表面的放射率(emittance)，及反射腔體將放射(emissivity)的不確定性所造成的誤差最小化。在一實施例中，處於所欲的波長時，主體220的內部表面248的反射率相似於窗口114的反射率或與窗口114的反射率相同，以為了進一步地增進量測。
開口116相較於窗口114而被配置在主體220的相對的端部處，及當容納大約26毫米乘以大約33毫米的矩形射束時開口116可具有大約100毫米乘以100毫米的尺寸。因此，開口116可具有足夠的尺寸以容納光的射束及穿過開口116間的量測。主體220進一步包含：凸緣232，該凸緣與主體220的圓柱狀的部分237相鄰。凸緣232具有配置為穿越凸緣232中的開口228以容納緊固件(例如螺栓)，而為了將屏蔽106固定至基材支座圍體108。主體220的壁一般性地具有：至少大約1毫米至大約2毫米的厚度A。
主體220包含：氣體通道234A和234B，該等氣體通道234A和234B圓周地圍繞屏蔽106而配置，其中製程氣體(例如氮、經過濾的空氣、氬，或其他的惰性氣體)經由氣體通道234A和234B被引入至腔體222。被提供至氣體通道234A的製程氣體沿著流動路徑236經由第一氣體進入口238進入腔體222，該第一氣體進入口238配置在氣體通道234A的相鄰處，該氣體通道234A圓周地圍繞主體220而設置。第一氣體進入口238係孔口(orifice)，該孔口圍繞在窗口114和內部表面248之間的主體220的周圍而延伸。被提供至氣體通道234B的製程氣體沿著流動路徑240經由第二氣體進入口242被引入至腔體222中。第二氣體進入口242圓周地圍繞主體220的圓柱狀的部分237而配置，及第二氣體進入口242與氣體通道234B流體相通。如同在第2圖中所圖示者，氣體通道234B被設置在基材支座圍體108和凸緣232的接面處；然而，考慮到：氣體通道234B亦可形成在凸緣232內。製程氣體經由氣體出口244而被移除，其中氣體出口244穿越圓柱狀的部分237而形成。氣體出口244與排放氣體通道246流體相通，其中氣體經由排放氣體通道246從屏蔽106排放。抽真空(vacuum)或吸氣(suction)可運用至排放氣體通道246以促進：從腔體222中移除製程氣體。
第2圖圖示：在熱處理期間所使用的屏蔽106的實施例；然而，亦考慮到其他的實施例。在另一實施例中， 考慮到：腔體222可具有整體的圓柱的形狀，該圓柱的形狀不具有：減少的直徑的逐漸變細(tampering)的壁。在另一實施例中，考慮到：屏蔽106可具有矩形的橫截面，及屏蔽106可經調適以容納窗口114，該窗口具有矩形的外形輪廓(outline)。在另一實施例中，考慮到：穿越內部表面248而形成的額外的口，以用於從腔體222中引入和移除製程氣體。在另一實施例中，考慮到：氣體通道234A、234B，或第一氣體進入口和第二氣體進入口238和242可不為：圍繞屏蔽106的整個周圍而設置的開口；而是，複數個分散的氣體通道及/或口可被設置在圍繞屏蔽106的腔體222的間隔處。在又一實施例中，可設置氣體進入口238、242以在腔體222內形成渦流(vortex)或螺旋狀的氣流(helical airflow)。在另一實施例中，窗口114和開口116可經設計尺寸(sized)以允許退火能量穿越窗口114和開口116間，及允許量測單元(例如高溫計、光譜儀(spectrometer)、光聲感測器(optoacoustic sensor)，或反射計(reflectometers))經由窗口114和開口116同時地量測被處理的基材的一或多個特性。
在另一實施例中，考慮到：主體220可選擇性地包含：穿越主體的壁的一或多個開口226，以容納高溫計視野(field of view)。窗口可被配置在開口226內以避免在處理期間所產生的粒子經由開口脫逸。主體220的內部表面248可被塗上反射的塗覆(例如金、鋁或銀)以增進主 體220內的高溫測量(pyrometry)。高溫計可被利用以量測：在主體220內於大約800 nm至大約2.2微米的波長範圍內的輻射量。在主體220內的反射的腔體的建立允許主體220相對於高溫計而言呈現為：更像是黑體輻射器(blackbody radiator)。黑體輻射器的出現減少：對基材表面的放射的精確的資訊(knowledge)之相依性，藉此增進基材溫度量測。
在處理期間，能量源102(圖示在第1圖中)提供退火能量穿過窗口114和屏蔽106的腔體222至基材112的表面(圖示在第1圖中)。根據退火能量的積分通量(fluence)，在熱退火製程期間微粒物質(例如汽化的摻雜物(vaporized dopants)或剝蝕的基材材料)可被產生。若汽化的摻雜物或剝蝕的材料並不從處理區域移除，汽化的摻雜物或剝蝕的材料不被期望地沉積在窗口114或其他的系統元件上，因此影響退火能量的均勻性，或在基材上的均勻性，因此影響元件良率(device yield)。然而，開口116對於基材112的熱處理的區域的緊密的靠近(圖示於第1圖中)將汽化的摻雜物或剝蝕的材料導引進入屏蔽106。藉由將開口116設置為接近於基材112的上表面，汽化的摻雜物和剝蝕的材料進入屏蔽106，而不具有被分散在基材支座圍體內的機率。一旦汽化的摻雜物或剝蝕的材料已進入屏蔽106，屏蔽106的腔體222的漏斗的形狀有助於維持：腔體222內的汽化的摻雜物或剝蝕的材料。
一旦汽化的摻雜物或剝蝕的材料在屏蔽106內，汽化的摻雜物和剝蝕的材料藉由進入氣體通道234A、234B和經由排放氣體通道246離開的製程氣體而被移除。經由氣體通道234B進入的製程氣體被導引往上朝向排放氣體通道246，以減少汽化的摻雜物或剝蝕的材料在已進入屏蔽106之後離開屏蔽106的機率。經由氣體通道234A進入的氣體被導引向下朝向排放氣體通道246，以減少或避免材料沉積在窗口114上。再者，經由氣體通道234A和氣體通道234B進入的氣體皆導引朝向氣體出口244以促進氣體的移除，及藉此從屏蔽106攜帶粒子。因此，製程氣體從位於在氣體通道234A和234B之間的位置處的屏蔽106被移除。製程氣體以大約30 SLM至大約50 SLM的速率經由氣體通道234A、234B的每一者被引入腔體222，及製程氣體經由排放氣體通道246以大約相同的速率被移除。期望地，層流(laminar flow)被維持在腔體222內。主體220的內部表面248可具有拋光的表面，以減少材料沉積至內部表面248的機率及減少材料從內部表面248剝落的機率。在一實例中，內部表面248的表面粗糙度小於10微米RMS，例如大約1微米RMS至大約2微米RMS。
除了從基材的處理區域移除汽化的摻雜物和剝蝕的材料，屏蔽106亦藉由從基材的熱處理區域移除周圍的氣體，而減少在基材的熱處理的部分處的污染物的出現或在基材的熱處理的部分附近的污染物的出現。當對基材 進行熱處理時，基材的被加熱的區域變得更為容易地受污染物的影響，例如與周圍的氧氣或在周圍環境中的其他的污染物起反應。屏蔽106藉著在腔體222內由於提供至腔體222中的氣體而建立略為較大的壓力梯度，而從基材的退火的部分移除周圍的氣體。壓力梯度驅使製程氣體經由開口116沿著流動路徑250遠離基材的退火的部分，因此從退火區域移除周圍的氧氣。為了在腔體222內建立壓力梯度，氣體從腔體222中引入或移除所利用的速率可被調整。期望地，製程氣體從屏蔽106的流出量足夠地減少：在基材的熱處理的區域附近的周圍的氧氣的量，而依然允許汽化的摻雜物或剝蝕的材料進入腔體222而用於移除。因此，在開口116附近的壓力梯度不需相對地為較大的。舉例而言，壓力梯度可具有在大約1托耳至大約10托耳之間的增量(delta)，例如大約3托耳至大約5托耳。
本發明的益處一般性地包含：在熱退火製程期間使用屏蔽以用於減少在基材和系統光學器件上的污染物。屏蔽有助於：從處理區域移除揮發的摻雜物和剝蝕的材料，因此減少：揮發的摻雜物或剝蝕的材料不被期望地沉積在系統光學器件上或被處理的基材上的機率。因為較少的材料被沉積在系統光學器件上，製程的均勻性更為一致，及光學器件的清洗或更換之間的平均時間被延長(例如大於每三個月的平均時間)。此外，因為較少的材料不被期望地沉積在被處理的基材上，元件良率被最 大化。再者，亦可容納：需要不含氧的控制(oxygen free controlled)的大氣的製程。
雖然前述係關於本發明的實施例，但是可設計本發明的其他的實施例和另外的實施例，而不偏離本發明的基本範疇，及本發明的範圍係由後續的申請專利範圍所決定。
100‧‧‧雷射處理系統
102‧‧‧能量源
104‧‧‧支座
106‧‧‧屏蔽
108‧‧‧基材支座圍體
110‧‧‧基材支座
111‧‧‧開口
112‧‧‧基材
113‧‧‧致動器
114‧‧‧窗口
116‧‧‧開口
118‧‧‧熱處理能量
120‧‧‧上表面
122‧‧‧緊固件
220‧‧‧主體
222‧‧‧腔體
224‧‧‧圓錐狀的部分
225‧‧‧端部
226‧‧‧開口
227‧‧‧表面
228‧‧‧開口
230‧‧‧凹部
232‧‧‧凸緣
234A‧‧‧氣體通道
234B‧‧‧氣體通道
236‧‧‧流動路徑
237‧‧‧圓柱狀的部分
238‧‧‧第一氣體進入口
240‧‧‧流動路徑
242‧‧‧第二氣體進入口
244‧‧‧氣體出口
246‧‧‧排放氣體通道
248‧‧‧內部表面
250‧‧‧流動路徑
為了使得可詳細地理解前文引述本發明的特徵之方式，本發明的更為特定的描述(簡短地於前文中概括者)可藉由參照實施例來獲得，該等實施例中一些實施例被圖示於隨附的圖式中。然而，注意到：隨附的圖式僅圖示此發明的典型的實施例及因而隨附的圖式不被認為限制此發明的範疇，對於本發明可容許其它的同等有效的實施例。
第1圖係根據本發明的一實施例的雷射處理系統的截面圖。
第2圖係根據本發明的一實施例的屏蔽的等距的截面圖。
為了促進理解，在可能的情況中已使用相同的元件符號以指定給圖式共用的相同的元件。考慮到：在一實施例中揭示的元件可被有利地利用在其他的實施例，而無需特定的詳述。
106‧‧‧屏蔽
108‧‧‧基材支座圍體
114‧‧‧窗口
116‧‧‧開口
220‧‧‧主體
222‧‧‧腔體
224‧‧‧圓錐狀的部分
225‧‧‧端部
226‧‧‧開口
227‧‧‧表面
228‧‧‧開口
230‧‧‧凹部
232‧‧‧凸緣
234A‧‧‧氣體通道
234B‧‧‧氣體通道
236‧‧‧流動路徑
237‧‧‧圓柱狀的部分
238‧‧‧第一氣體進入口
240‧‧‧流動路徑
242‧‧‧第二氣體進入口
244‧‧‧氣體出口
246‧‧‧排放氣體通道
248‧‧‧內部表面
250‧‧‧流動路徑

Claims (20)

  1. 一種用於在一雷射處理系統中減少污染物的設備，該設備包含：一主體，該主體界定一腔體，該主體具有：一圓錐狀的部分(conical portion)，該圓錐狀的部分具有：一第一端部，該第一端部具有一第一直徑；及一第二端部，該第二端部具有一第二直徑，該第二直徑小於該第一直徑；及一圓柱狀的部分(cylindrical portion)，該圓柱狀的部分接合至該圓錐狀的部分的該第二端部；一第一氣體進入口，該第一氣體進入口圓周地圍繞該圓錐狀的部分的該第一端部而形成；及一第二氣體進入口，該第二氣體進入口圓周地圍繞該主體的該圓柱狀的部分而形成；及一透明的窗口，該透明的窗口配置在該圓錐狀的部分的該第一端部處。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一氣體進入口和該第二氣體進入口與該腔體流體相通。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，進一步包含：一第一氣體通道，該第一氣體通道與該第一氣體進入口流體相通；及一第二氣體通道，該第二氣體通道與該第二 氣體進入口流體相通。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之設備，進一步包含：一氣體出口(gas outlet port)，該氣體出口與該腔體流體相通。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之設備，其中該氣體口被設置在該第一氣體進入口和該第二氣體進入口之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之設備，進一步包含：一凸緣，該凸緣被配置在該圓柱狀的部分的一外部表面上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中該凸緣包含配置為穿越該凸緣間的開口以容納緊固件。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該窗口包含：石英(quartz)、熔融矽石(fused silica)，或藍寶石(sapphire)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該主體包含：不銹鋼或鋁。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該透明的窗口包含於該透明的窗口上的一塗覆，及其中該塗覆對於 具有一第一波長的輻射為抗反射的(anti-reflective)，及該塗覆對於具有一第二波長的輻射為反射的。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中該第一波長係在大約200奈米(nanometer)至大約11奈米的一範圍內，及該第二波長係在大約800奈米至大約2.2微米的一範圍內。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之設備，其中該主體包含穿越該主體的一壁的一開口，以容納一高溫測量視野(pyrometry field of view)。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之設備，其中該主體的一內部表面包含於該內部表面上的一塗覆，該塗覆係從金、銀，及鋁構成的群組中選出的。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第二氣體進入口經調適以提供一不含氧的氣體(oxygen-free gas)至一基材的一區域以待進行熱處理。
  15. 一種用於在一雷射處理系統中減少污染物的設備，該設備包含：一主體，該主體界定一腔體，該主體具有：一圓錐狀的部分，該圓錐狀的部分具有：一第一端 部，該第一端部具有一第一直徑；及一第二端部，該第二端部具有一第二直徑，該第二直徑小於該第一直徑；及一圓柱狀的部分，該圓柱狀的部分接合至該圓錐狀的部分的該第二端部；一第一氣體進入口，該第一氣體進入口圓周地圍繞該圓錐狀的部分的該第一端部而形成及與該腔體流體相通；及一第二氣體進入口，該第二氣體進入口圓周地圍繞該主體的該圓柱狀的部分而形成及與該腔體流體相通；及一透明的窗口，該透明的窗口被配置在該圓錐狀的部分的該第一端部處，該透明的窗口具有於該透明的窗口上的一塗覆，該塗覆對於具有一第一波長的輻射為抗反射的，及該塗覆對於具有一第二波長的輻射為反射的。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中該第一波長係在大約200奈米至大約11奈米的一範圍內，及該第二波長係在大約800奈米至大約2.2微米的一範圍內。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之設備，其中該主體的一內部表面包含於該內部表面上的一塗覆，該塗覆係從金、銀，及鋁構成的群組中選出的。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之設備，其中該主體包含穿越該主體的一壁的一開口，以容納一高溫測量視野。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中該主體包含：不銹鋼或鋁。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之設備，其中該窗口包含：石英、熔融矽石(fused silica)，或藍寶石(sapphire)。
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