TWI446479B - 脈衝雷射退火系統 - Google Patents

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Description

脈衝雷射退火系統
本發明的各實施方式主要關於用於製造半導體元件的裝置。更具體地說，本發明的實施方式關於用於熱處理基板的裝置。
在半導體處理過程中，可能會將基板加熱到高溫，以便可以發生進行各種不同的化學和/或物理反應。通常使用熱處理製程加熱基板。典型的熱處理製程，諸例如退火製程的典型熱處理製程需要在短時間內向基板提供相對大量的熱能，並隨後快速冷卻晶圓，以便停止熱處理製程。目當前使用的熱處理製程的實示例包括快速熱處理製程(RTP)和脈衝(尖峰)退火。雖然這些製程已得到了廣泛的使用這種製程，當前但是現有的這些技術都不是不理想的能令人滿意。其趨於太慢地提升晶圓的溫度並將使基板過長時間地暴露於高溫之下。隨著晶圓尺寸的增大、切換速度的提高、和/或特徵尺寸的降低，這些問題會變得更加嚴重。
通常，這些熱處理製程在根據預定的熱程式(thermal recipe)的控制條件下加熱基板。這些熱程式基本上由必須將基板加熱到溫度變化速率一即溫度提升和降低速率，和熱處理系統保持在特定溫度的時間所組成。例如，熱程式可以要求在每個明確的溫度下，在長達60秒或更長的處理時間內，將基板從室溫加熱到1200℃或更高的確定溫度。
而且，為了滿足某些目標，諸如半導體基板的不同區域之間材料的最小互擴散，必須限制每個半導體基板經受高溫的時間量。為了實現該目標，較佳使用高的溫度變化速度，包括溫度提升和降低速率。換句話說，希望能夠在盡可能短的時間內從低溫到高溫來調整基板的溫度，或反之亦然。
對於高的溫度變化速率的需求導致了快速熱處理(RTP)的發展，其中，與傳統爐的5-15℃/min相比，典型溫度提升速率範圍在200到400℃/s。典型溫度降低速率在80-150℃/s的範圍內。RTP的缺點是即使IC元件僅存在於矽晶圓的頂部幾微米內，其也加熱整個晶圓。這限制了可以加熱和冷卻晶圓的快速程度。而且，一旦整個晶圓處於高溫，熱量僅可以消散到周圍空間或結構內。其結果是，RTP系統的現有技術狀態勉強實現400℃/s的提升速率和150℃/s的降低速率。
為了解決在傳統RTP型製程中出現的某些問題，已經將多種掃描雷射退火技術用於退火基板表面。一般來說，這些技術將恒定能量通量傳送到基板表面上的小區域，同時相對於傳送到該小區域的能量平移或掃描基板。由於嚴格的均勻性需求和使穿過基板表面的掃描區域的交疊最小化的複雜性，對於熱處理基板表面上形成的符合水準的元件，這些類型的製程是不夠有效的。
脈衝雷射退火技術，一般在基板上的一個小區域處投射脈衝電磁能量，並隨後相對能量源移動基板並將另一個小區域暴露於脈衝電磁能量。脈衝雷射退火技術使基板上處理區域之間的交疊最小化，因此改進了熱退火的均勻性。然而，在脈衝雷射退火技術中使用的能量源必須能夠在相對短的時間內傳送相對大量的能量，因此其是昂貴的。
考慮到上述問題，目前仍存在有這樣一種需求，即能提供一種以高的均勻性和低的成本用於退火半導體基板的裝置。
本發明的實施方式一般提供用於處理半導體基板的方法和裝置。更具體地說，本發明的實施方式提供了用於退火半導體基板的方法和裝置。
本發明的一個實施方式提供了一半導體處理室，該半導體處理室包括：設置成支撐基板的第一基板支架；設置成支撐基板的第二基板支架；連接到第一基板支架並設置成在處理區和第一加載區之間移動第一基板支架的梭(shuttle)，其中，處理區具有設置成交替容納第一基板支架和第二基板支架的處理體積。
本發明的另一個實施例方式提供了一退火系統，該退火系統包括：一具有處理區、第一加載區和第二加載區的處理室；設置成在第一加載區和處理區之間支撐並傳送基板的第一基板支架組件；設置成在第二加載區和處理區之間支撐並傳送基板的第二基板支架組件；設置成將第一和第二基板支架組件交替放置安置在處理區內的梭；和設置成將能量投射到處理區中的內的退火區域的能量源。
本發明的再一個實施方式提供了用於處理半導體基板的方法，該方法包括：將第一基板加載到安置在第一加載區內的第一基板支架組件上；在第一加載區內預加熱第一基板；將第一基板支架組件移動到處理區以便將第一基板放置在處理區內、將第一基板的第一區域與安置在處理區內的能量源的退火區域對準；以及使用能量源將脈衝能量投射到第一基板的第一區域。
本發明一般提供用於執行脈衝退火處理的裝置和方法。在一個實施方式中，退火處理系統包括兩個基板支架組件和一個能量源。將這兩個支架組件交替用於放置和準備基板以進行退火處理，並由此提高了系統的生產能力。
第1圖示意性示出了根據本發明的一個實施方式的退火系統1。退火系統1包括適於在基板10的限定區域或退火區域12上投射一定量的能量以便擇優熔化退火區域12內的某些所需熔化區域的能量源20。
在一個實施例中，如第1圖所示，在任何設定的時間，僅將基板10的一個限定區域，例如退火區域12暴露於來自能量源20的輻射。基板10相對能量源20以可以使基板10上的其它區域相繼暴露於能量源20的方式移動。
在本發明的一個方面，為了導致基板10的所需熔化區域的擇優熔化，將基板10的多個區域相繼暴露於從能量源20提供的所需量的能量中。
一般來說，通過相對於能量源20的輸出來平移基板10(例如，使用傳統X/Y載物台、精確載物台)和/或相對於基板來平移能量源20的輸出，由此可以相繼暴露基板10表面上的各區域。
可以將基板10放置在設置成控制基板的全部溫度的熱交換裝置15上。可以將熱交換裝置15放置在作為設置成控制基板10的移動和位置的單獨精確載物台(未示出)的一部分的一個或幾個傳統電致動器17上(例如，線性馬達、導螺杆和伺服馬達)。可以用於支撐並定位基板10的傳統精確載物平臺和熱交換裝置15都可以從美國加利福尼亞州Rohnert Park市的Parker Hannifin公司購買。
在一個方面中，使退火區域12的尺寸與晶粒(die)13(例如，在第1圖中示出40個“晶粒”)的尺寸或與在基板10表面上形成的半導體元件(例如，記憶體晶片(chip))的尺寸相匹配。在一個方面中，將退火區域12的邊界對準並使其尺寸適合確定每個晶粒13的邊界的“切(kurf)”或“劃(scribe)”線10A。
相繼放置退火區域12以使其僅在晶粒13之間的自然發生的未利用間隔/邊界，諸如劃線或切線10A中交疊，從而降低對於在基板10上形成元件的區域中交疊能量的需要，並且由此降低交疊的退火區域12之間的處理結果的變異。
在一個實施方式中，在執行退火製程之前，通常使用在基板10表面上標識的對準標記和其它傳統技術使基板10與能量源20的輸出對準，由此使退火區域12與晶粒13充分對準。
由於對於晶粒13之間未利用間隔的交疊進行了限制的原因，對於緊密控制相鄰掃描區域之間的交疊以便確保基板上各所需區域的均勻退火的需求不再成為問題，所以上述本發明的技術要優於在基板表面上掃描能量源的傳統製程。
與使用橫越基板全部區域的相鄰交疊區域的傳統掃描退火型方法相比，限制晶粒13之間的未利用間隔/邊界交疊的方法還改進製程均勻性。因此，由於可以使在相繼放置的退火區域12之間提供的能量的任何交疊達到了最小化，使得由曝露於來自能量源20的用於處理基板的臨界區域的能量的量的變化引起的製程變異量達到最小化。在一個實施例中，相繼放置的每個退火區域12都為矩形區域。
能量源20通常為適於提供用於擇優熔化基板表面的某些所需區域的電磁能。典型的電磁能量源包括，但不限制於，光學輻射源(例如，雷射)、電子束源、離子束源、和/或微波能量源。
在一個實施方式中，將基板10暴露於來自發射一個或幾個適當波長輻射的雷射的能量脈衝中一段所需的時間。在一個實施方式中，調整來自能量源20的能量脈衝，以使向整個退火區域12提供的能量的量和/或在脈衝周期內提供的能量的量達到最佳化，由此來強化某些所需區域的擇優熔化。在一個實施方式中，調節雷射的波長以使放置在基板10上的矽層吸收大部分的輻射。
對於在含矽基板上執行的雷射退火製程，輻射的波長通常小於大約800nm，且能夠提供深紫外(UV)、紅外(IR)或其它所需波長的輻射。在一個實施方式中，能量源20是適於提供諸如雷射的波長在大約500nm到大約11微米之間的輻射的強光源。在每種情況中，退火製程一般在諸如在大約一秒或更少的量級上的相對短時間內在基板的給定區域上發生。
在一個實施方式中，為了將基板10表面熔化到嚴格確定深度，例如，小於0.5微米，在非常短的時間內將能量傳送到每個退火區域12。由正在製造的電子元件的尺寸和/或實際退火製程來確定精確的深度。例如，在佈植退火製程中，將提供到基板10表面的能量的量設置成能使熔化深度不超過由非晶化佈植步驟確定的非晶深度。較深的熔化深度會便於摻雜質從摻雜非晶層向未摻雜軟化層中的擴散。這種非所需的擴散將急劇地且有害地改變半導體基板上的電路的電特徵。
通常，將基板10放置在包含熱交換裝置15的處理室(未示出)的封閉處理環境(未示出)內。在製程處理期間，可以將其內放置有基板10的處理環境抽空，或者處理環境包含一惰性氣體，例如氧氣，所述的惰性氣體在處理期間具有非所需氣體的低分壓。
在一個實施方式中，可能希望通過將基板10的表面，如第1圖所示，放置成與熱交換裝置15的基板支撐表面16熱接觸，以在熱處理期間控制基板10的溫度。使熱交換裝置15通常是適於在退火製程之前或期間加熱和/或冷卻基板10。在這種結構中，可以將諸如可從美國加利福尼亞州Santa Clara市的Applied Materials公司獲得的傳統基板加熱器的熱交換裝置15用於改進基板10退火區域的處理後的性能。
在一個實施方式中，在執行退火製程之前，可能預加熱基板，以便使達到熔化溫度所需的能量最小化，這可以降低由於基板10的快速加熱和冷卻所引起的任何誘導應力，並還可以降低基板10的再固化區域中的缺陷密度。在一個方面，熱交換裝置15包含適於加熱設置在基板支撐表面16上的基板10的電阻加熱構件15A和溫度控制器15C。溫度控制器15C與控制器21(下面將要描述)有聯絡。
在一個方面，較佳將基板預加熱到在大約20℃和大約750℃之間的溫度。在另一個實施方式中，基板由含矽材料形成，較佳將基板預加熱到在大約20℃和大約500℃之間的溫度。在另一個實施方式中，基板由含矽材料形成，較佳將基板預加熱到在大約200℃和大約480℃之間的溫度。在另一個實施方式中，基板由含矽材料形成，較佳將基板預加熱到在大約250℃和大約300℃之間的溫度。
在另一個實施方式中，較佳在處理期間冷卻基板以減少由於在退火製程期間施加到基板的能量引起的任何互擴散和/或提高熔化後的再生長速率進而在處理期間增加不同區域的非晶化。在一種結構中，熱交換裝置15包含適於冷卻佈置在基板支撐表面16上的基板10的一個或幾個流體通道15B和低溫冷卻器15D。在一個實施方式中，使與控制器21通訊的傳統低溫冷卻器15D適於通過一個或多個流體通道15B提供冷卻流體。在一個方面中，較佳將基板冷卻到在大約-240℃和大約20℃之間的溫度。
關於脈衝退火製程的進一步描述，可以從2006年7月25日申請的名為“在基板上形成的熱處理結構的方法”的美國專利申請序號11/459,847(代理人序號005635)中獲得，這裏將其作為參考文獻引用並結合在本申請中。
在脈衝雷射退火處理期間，正在處理的基板相對於能量源以使基板的不同部分相繼暴露於能量源的方式移動。相對移動可以是步進運動。例如，可以以使基板上的第一區域與能量源對準的方式將基板移動到並保持在第一位置。隨後能量源向基板上的第一區域投射所需量的能量。隨後將基板移動到使第二區域對準能量源的第二位置。當能量源將能量投射到基板時，暫時停止基板和能量源之間的相對移動以使能量可以精確地且均勻地投射到所需區域。然而，該步進運動包括在明顯減緩製程的每個步驟中的加速和減速。
本發明的實施方式包括當將脈衝能量投射到基板時以恒定速度相對於能量源移動基板。通過消除對於基板上的每個區域的加速、減速、及停止，明顯提高了系統的生產能力。
第2A圖示意性示出包含佈置在陣列中的四十個方形晶粒13的基板10的頂視圖。通過由劃線10A標記的區域將晶粒13彼此分隔。能量投射區域20A表示這樣一種區域，即在該區域之上能量源(第1圖所示)適於提供能量脈衝。一般來說，能量投射區域20A可能覆蓋等於或大於每個晶粒13面積的區域、但小於每個晶粒13面積加上周圍劃線10A面積的區域，由此可以使在能量投射區域20A中提供的能量脈衝完全覆蓋晶粒13而不與相鄰晶粒13交疊。
為了在散佈於整個基板表面的多個晶粒13上執行退火製程，需要將基板和/或能量源20的輸出定位和相對於每個晶粒對準。在一個實施方式中，曲線20B表示，在基板表面上的各個晶粒13上執行一系列退火製程期間，基板10的晶粒13和能量源20的能量投射區域20A之間的相對移動。在一個實施方式中，可以通過遵循曲線20B的方式在x和y方向上平移基板實現相對移動。在另一個實施方式中，可以通過相對於固定基板10移動能量投射區域20A來實現相對移動。
另外，根據晶粒特定的排列，為了最佳化生產能力和製程質量，可能使用與20B不同的路徑。
在一個實施方式中，在退火製程期間，基板10相對於能量投射區域20A移動，例如第2A圖的曲線20B所示。當將特定晶粒13放置並對準在能量投射區域20A內時，能量源20向基板10投射能量脈衝，以便根據特定退火製程程式(recipe)，將晶粒13暴露於一定能量下持續一段限定的時間。從能量源20脈衝能量的持續時間通常要足夠短到基板10和能量投射區域20A之間的相對移動不會導致每個晶粒13上發生任何的“模糊(blur)”，即發生非均勻能量發佈，和不會導致對基板的損傷。
第2B圖示意性示出對於根據本發明的一個實施方式的在基板10上的多個晶粒13上執行的脈衝退火製程的時間流程圖的示例。流程圖(a)示意性示出沿x方向的基板相對於能量投射區域20A的相對速度。流程圖(b)示意性示出沿y方向的基板和能量投射區域20A的相對速度。流程圖(c)示意性示出從能量源20提供的多個脈衝20C。如第2B圖所示，在退火處理期間，基板10相對於能量源20保持基本上恒穩的移動，並且能量源20向移動基板10上的各個晶粒13僅投射短持續時間的脈衝。在投射能量脈衝20C期間，如虛線所標示，基板10相對於能量源20以恒定速度移動。恒定速度便於控制脈衝20C的定時和投射到每個晶粒13的能量的均勻性。流程圖(b)中的驟降表示基板10沿y方向加速和減速以使能量源20與在新的一行中的晶粒13對準。流程圖(a)中的斜線示出在達到晶粒13的一行的末端之後基板改變移動方向。因此，基板10僅當從晶粒13的一行移動到晶粒13的另一行時才加速和/或減速，這樣就能提高系統生產能力。
在另一個實施方式中，可以減慢或停止基板10和能量源20之間的相對移動，以便能量源20可以向晶粒13投射能量脈衝，並隨後加速和減慢，或停止，以便能量源20可以向相鄰晶粒13投射能量脈衝。
第2C圖示範性示出根據本發明的一個實施方式的退火室403。可以在退火室403中進行上述脈衝退火方法。退火室403包括在室體426上形成的光學透明視窗428。室體426確定處理體積427。在一個實施方式中，處理體積427具有一個惰性環境，該惰性環境由連接到處理體積427的惰性氣體源425和真空泵424來維持。
將基板支架414放置在處理體積427中。將基板支架414設置成支撐並移動放置在頂表面416上的基板401。將能量源402放置在室體426的外部，並將該能量源402設置成可以通過光學透明視窗428投射能量。將基板支架414連接到能用於冷卻和加熱基板支架414上的基板的溫度控制部件415。可以將基板支架414連接到在退火期間用於基板401和能量源402之間的精確的對準和相對移動的高精度載物台411。
在一個實施方式中，可以將光學感測器404用於輔助基板401與能量源402的對準。可以將光學感測器404放置在光學透明視窗428附近並將其連接到控制部件408，另外將控制部件408連接到高精度載物台411。在對準期間，光學感測器404可以通過光學透明視窗428“觀察”以定位基板401上的標識，例如缺口，和晶粒周圍的劃線。控制部件408處理來自光學感測器404的信號並向高精度載物台411產生用於對準調整的控制信號。
第3圖示出根據本發明的一個實施方式的包括用於執行退火製程的典型步驟的流程圖。
在步驟110中，將待處理的基板加載在處理室的基板支撐表面16上。通常通過設置成夾持基板的機械手臂執行加載基板。
在步驟120中，在執行退火製程之前可以將基板預加熱到所需的溫度。在一個實施方式中，如第1圖所示，通過將基板10放置在加熱的基板支撐表面16上完成預加熱步驟。預加熱基板可以使來自能量源20的用於每次能量脈衝所需的能量最小化，這可以允許使用較小的能量源和/或縮短脈衝持續時間，由此提高了生產能力。可以通過對嵌入到基板支架中的電阻加熱構件供電來實現預加熱。
在步驟130中，將預加熱的基板與能量源對準以使能量源20的能量投射區域20A，在每次能量脈衝中，可以可靠地覆蓋基板支撐表面16上所需的區域，例如，基板上的晶粒13。可以通過識別基板10上的特徵，如基板缺口或目視外形對準標記，來實現對準。由於能量投射區域20A和每個晶粒13的對準要求相對高的精確度，因此，對準步驟一般佔用較長的時間。
在步驟140中，通過將所需區域，例如晶粒13，逐個地或成組地暴露於能量源，來進行退火處理。
在步驟150中，在對所有晶粒13進行退火處理之後，可以通過機械手臂從基板支撐表面16上卸載基板10。
上述脈衝退火製程一般需要能提供高功率密度的能量源20。根據本發明的實施方式的能量源可以包括，但不僅限於，光學輻射源，例如雷射、電子束源、離子束源、或微波能量源。將能量源設置成可以以所需的能量密度(W/cm2 )和/或脈衝持續時間向所需區域發射電磁能量。這種類型的能量源可能是昂貴的。因此，較佳降低能量源的閒置時間，由此，提高生產能力並降低系統的成本。
在典型退火製程中，例如第3圖中描述的退火製程，在加載、預加熱、對準和卸載步驟期間能量源是閒置的。第4A-4B圖示意性示出根據本發明的一個實施方式的退火處理系統200。將退火處理系統200設置成能使能量源閒置時間最小化並能提高生產能力。
第4A圖示意性示出在第一處理位置上的退火處理系統200的平面圖。
退火處理系統200包括前端環境202(也稱為生產界面(factory interface)，或FI)；連接到前端環境202的一個或多個載物艙(pod)201。將一個或多個載物艙201設置成可儲存並保持多個基板。前端環境202與設置成在其中可進行退火處理的處理室205選擇性通訊。
將生產界面機械手臂203放置在前端環境202中。將生產界面機械手臂203設置成可在載物艙201和處理室205之間傳送基板。生產界面機械手臂203可以沿軌迹204移動。
退火處理系統200還包括可移動地設置在處理室205內的兩個基板支架組件213、214，並將每一個基板支架組件設置成在處理室205內支撐並傳送基板。
在一個實施方式中，處理室205包括形成連接到加載區206、208的處理區207的室體219，加載區206、208設置在處理區207的相對側。基板支架組件213、214在處理區207和加載區206、208之間是可移動的。將處理區207設置成在處理期間交替容納基板支架組件213、214。將加載區206、208設置成容納基板支架組件213並與生產界面機械手臂203通訊。將加載區206、208設置成在加載和卸載基板期間分別容納基板支架組件213、214。
在一個實施方式中，可以將基板支架組件213、214連接到梭215並間隔一固定的距離。將梭215設置成可以同時移動基板支架組件213、214以使基板支架組件213、214之一放置在處理區207中而同時將另一個放置在與其相應的加載區一即加載區206、208。在另一個實施方式中，基板支架組件213、214可以獨立地彼此相對移動。
在一個實施方式中，在處理期間處理室205可以處於一受控制的環境中。處理室205可以通過狹口閥門209、210與前端環境202選擇性通訊。可以將狹口閥門209、210設置成能使生產界面機械手臂203可以向和從分別放置在加載區206、208中的基板支架組件213、214放下和拾起基板。
在一個實施方式中，在處理期間處理區207可以處於受控制的環境中。可以通過門211、212將加載區206、208連接到處理區207。在處理期間關閉和密封門211、212，以便將處理區207與加載區206、208流體隔離。可以將門211、212關閉以便將熱處理期間產生的非所需物種保留在處理區207內，和/或抑制加載區206、208中的物種進入處理區207。在一個實施方式中，惰性氛圍環境可以通過向其中流入一種或幾種惰性氣體在處理區207中形成。在另一個實施方式中，通過來自惰性氣體源的惰性氣體流和真空泵系統控制處理區207的環境。在一個實施方式中，處理區207可以主要包含氮氣，且其中氧氣的濃度低於100ppm。在處理期間，在處理區207中保持氣體環境，同時加載站206、208開放於大氣環境。在一個實施方式中，將加載閉鎖室設置在處理區207和每個加載站206、208之間。在另一個實施方式中，加載站206、208可以用作為加載閉鎖室。
退火處理系統200還包括設置成向處理區207提供電磁能量的能量源216。在一個實施方式中，將能量源216放置在處理室205的外部。在一個實施方式中，將能量源216設置成通過光導管217向處理區207內的退火區域218提供脈衝電磁能量。將光導管217連接到能量源216並將其設置成向處理區217提供脈衝能量。
在一個實施方式中，能量源216可以是雷射源，其適於提供波長為532nm、或1064nm、或748nm的能量。在一個實施方式中，能量源216可以投射脈衝長度在大約8ns到大約30ns之間的脈衝能量。在另一個實施方式中，能量源216的脈衝長度可以是大約20ns。在一個實施方式中，在每個脈衝中，能量源216可以向位於晶粒13之上的退火區域218投射能量水平在大約5J到大約15J的電磁能量。在一個實施方式中，退火區域218具有在10mm×10mm到大約26mm×26mm之間的尺寸。在一個實施方式中，能量源216向退火區域218投射密度在大約0.5J/cm2 到大約1.5J/cm2 的脈衝能量。
將退火處理系統200設置成使能量源216的閒置時間最小化並能提高系統生產能力。以在基板加載、和卸載步驟期間使能量源216不處於閒置的方式將兩個基板支架組件213、214交替放置在處理區207和加載區206、208中。在一個實施方式中，加載步驟包括接收基板、預加熱基板、卡緊基板、和對準基板。
在一個實施方式中，在加載區206、208中執行加載、預加熱、卡緊、和卸載步驟。在另一個實施方式中，為了加快在處理區207中執行的後續對準步驟，還可以在加載區206、208中執行粗對準步驟，由此減小能量源216的閒置時間。
在處理區207中，執行對準步驟以將待處理的基板與能量源的退火區域218對準。在對準步驟之後，當相對於退火區域218移動基板時，可能逐區域地執行退火。對準需要平移和旋轉基板。
第4A圖示出退火處理系統200的第一位置，其中將基板支架組件213放置在加載區206中而將基板支架組件214放置在處理區207中。第4B圖示出退火處理系統200的第二位置，其中將基板支架組件214放置在加載區208中而將基板支架組件213放置在處理區207中，以便可以將基板加載到基板支架組件214和從基板支架組件214卸載，並且在放置在基板支架組件213上的基板上執行退火製程。可以通過其上放置基板支架組件213、214的梭215的線性移動實現第一位置和第二位置之間的轉換。
第5A圖示意性示出根據本發明的一個實施方式的基板支架組件313的等軸視圖。基板支架組件313可以是與第2A圖所示的退火處理系統200的梭215相連接的基板支架組件213、214。
基板支架組件313包括具有設置成支撐並固定基板的頂表面321的基板夾盤320。在一個實施方式中，基板夾盤320包括用於加熱和/或冷卻放置在頂表面321上的基板的溫度控制裝置。基板夾盤320可以使用用於加熱基板的一個或多個嵌入電阻加熱器(未示出)。基板夾盤320可以包括用於通過在其中流動冷卻流體冷卻基板的冷卻管(未示出)。在一個實施方式中，基板夾盤320將基板加熱到在大約20℃到大約500℃之間的溫度範圍。在一個實施方式中，將基板夾盤320中的冷卻管用於在退火期間為基板提供冷卻，以便避免過熱。
在一個實施方式中，可以將基板夾盤320連接到用於將基板卡緊到頂表面321的真空裝置。在頂表面321上形成多個與真空源相連接的開口328，用於將基板固定在頂表面上。在另一個實施方式中，可以使用靜電裝置將基板固定在頂表面321上。
在一個實施方式中，可以在頂表面321上均勻地佈置三個或三個以上可收縮梢329。可收縮梢329用於與機械手臂一起接收和傳送基板。在一個實施方式中，可收縮梢329在加熱處理期間將基板保持略微從頂表面321提升，以便在加熱期間基板的熱膨脹不會引起基板背面和頂表面321之間的摩擦，由此降低了顆粒產生和基板中的熱應力。
在一個實施方式中，將基板夾盤320連接到太塔板330。將太塔(theta)板330可移動地連接到第一載物台板325。連同基板夾盤320一起，太塔板330是可相對於第一載物台板325圍繞中心軸331旋轉的。在一個實施方式中，為了輔助在晶粒和從脈衝能量源提供的能量投射區域20A(第2A圖)之間的角對準，太塔板330可以相對於第一載物台板325旋轉幾度。
將第一載物台板325可移動地連接到第二載物台板326。將第一載物台324連接到第一載物台板325而將第二載物台板326連接到第二載物台323。將第一載物台324設置成可相對於第二載物台板326沿第一方向，例如y方向，平移(translate)第一載物台板325。
通過第二載物台323將第二載物台板326可移動地連接到底板327，並且適於沿第二方向，例如x方向，移動第二載物台板326。將第二載物台323設置成可相對於底板327平移第二載物台板326、第一載物台板325、和第一載物台324。在一個實施方式中，中心軸331與第一載物台324及第二載物台323正交。
基板支架組件313能夠通過基板圍繞中心軸331旋轉和沿第一載物台324及第二載物台323平移，使處理室中的基板對準。第一和第二載物台324、323可以是任何適用的高精度載物台。
還可以將底板327另外連接到諸如梭215的機構，用於移動整個基板支架組件313。
第5B-5C圖示意性示出第5A圖的基板支架組件313在處理區207中不同處理位置的頂視圖。如第5B圖所示，將基板支架組件313放置在可能與上述處理室205相似的處理室307內。在一個實施方式中，可以通過與上述梭215相似的梭315將基板支架組件313送入和送出處理室307。可以將基板支架組件313用於在製程期間平移基板，以便使基板的區域對準於處理區域318，例如在處理室307內形成的能量投射區域20A。在一個實施方式中，處理室307可以是脈衝退火室而處理區域318可以是退火區域。在一個實施方式中，處理室307可以是足夠大以允許將基板支架組件313放置成可以使基板上的任何晶粒13都可以與處理區域318對準。
可以將處理區域318以這樣一種方式來放置，即可以使在基板支架組件313上的基板的任何部分都可以與處理區域318對準的方式放置處理區域318。第5B圖示出在最右側區域與基板對準的處理區域318。第5C圖示出在基板的最左側區域與基板對準的處理區域318。第5D圖示出在基板的頂部區域與基板對準的處理區域318。第5E圖示出在基板的底部區域與基板對準的處理區域318。可以將處理區域318與在最左側區域和最右側區域之間以及在頂部區域和底部區域之間的基板的任何區域對準。
在一個實施方式中，使用目視方法執行基板和處理區域318的對準。為了觀察放置在處理室307內的基板，可以設置視覺感測器，例如照相機，並且為了實現對準，將視覺感測器用於識別基板上的一個或多個標識。在一個實施方式中，標識可以是在正在處理的基板的邊緣上形成的缺口。在另一個實施方式中，標識可以是在正在處理的基板的表面上形成的圖案。
第6圖示出根據本發明的一個實施方式的脈衝退火製程400的流程圖。脈衝退火製程400可以在一個系統中來進行，所述的系統包含一個設置在處理區中並用於處理由基板支架A或基板支架B支撐的基板的能量源。基板支架A和B可以在加載位置和處理區之間移動。在一個實施方式中，在第4A圖所示的退火處理系統200中執行脈衝退火製程400，而且基板支架A和B是可以通過使用梭215移動的基板支架組件213、214。
在步驟410中，將基板支架A移動到加載位置，而將基板支架B移動到處理區。
在加載位置中執行步驟420、430、440、450、460、470，而在處理區中執行步驟480、490。
在步驟420中，從基板支架A移除先前處理過的基板。
在步驟430中，將新基板加載到基板支架A上。
在步驟440中，對新基板執行預加熱製程。在一個實施方式中，將新基板寬鬆地放置在基板支架A上，以便加熱期間基板的熱膨脹不會在基板內導致應力。可以通過其上放置基板的加熱的表面來執行預加熱製程。在另一個實施方式中，由放置在加載位置中的加熱組件，例如輻射加熱組件，來執行預加熱製程。
在步驟450中，將加熱的基板卡緊到基板支架。可以通過諸如真空卡緊和/或靜電卡緊的任何適用的技術來實現卡緊。
在步驟460中，可以執行可選擇的對準步驟。該對準可以用於將基板放置在至少接近符合處理區中的能量投射區域的位置的粗對準。在一個實施方式中，該對準可能包括旋轉和/或平移基板。可以相對基板上的缺口或其它對準標識來執行該對準。
如步驟470所示，基板可以在加載位置中等待或排隊等候處理區變成可使用狀態。
在步驟495中，可以將包含加熱後的且預對準的基板的基板支架A送入到處理區而將先前在處理區中的基板支架B傳送到其加載位置。在一個實施方式中，基板支架A和基板支架B中的每一個都具有諸如第4A圖的退火處理系統200中的加載位置。在另一個實施方式中，基板支架A、B共享一個共用加載位置。
在被傳送到處理區之後，如步驟480所示，將放置在基板支架A上的基板與能量源的能量投射區域對準。在一個實施方式中，對準包括將基板上的晶粒放置到能量投射區域。可以通過基板的旋轉和通過使用基板支架的基板的精確平移來執行對準。
在對準之後，如步驟490所示，執行退火製程。可以使用能量源逐區域地、或逐個晶粒地將脈衝能量暴露到基板上來執行退火製程。在一個實施方式中，可以相對於能量源的退火區域連續地移動基板，而當將一個新區域移動進入退火區域的對準範圍內時，向基板投射能量脈衝。
雖然前面的描述針對本發明的各個實施方式，在不脫離本發明基本範圍的情況下，還可以設計出其它和另外的實施方式，而本發明的範圍由下述的申請專利範圍來確定。
1．．．退火系統
10A．．．劃線或切線
10．．．基板
12．．．退火區域
13．．．晶粒
15．．．熱交換裝置
15A．．．電阻加熱構件
15B．．．流體通道
15C．．．控制器
15D．．．低溫冷卻器
16．．．基板支撐表面
17．．．電致動器
20．．．能量源
20A．．．能量投射區域
20B．．．曲線
20C．．．脈衝
21．．．控制器
110．．．步驟
120．．．步驟
130．．．步驟
140．．．步驟
150．．．步驟
200．．．退火處理系統
201．．．載物艙
202．．．前端環境
203．．．生產界面機械手臂
204．．．軌迹
205．．．處理室
206．．．加載區
207．．．處理區
208．．．加載區
209．．．狹口閥門
210．．．狹口閥門
211．．．門
212．．．門
213．．．基板支架組件
214．．．基板支架組件
215．．．梭
216．．．能量源
217．．．光導管
218．．．退火區域
219．．．室體
307．．．處理室
313．．．基板支架組件
315．．．梭
318．．．處理區域
320．．．基板夾盤
321．．．頂表面
323．．．第二載物台
324．．．第一載物台
325．．．第一載物台板
326．．．第二載物台板
327．．．底板
328．．．開口
329．．．可收縮梢
330．．．太塔板
331．．．中心軸
400．．．脈衝退火製程
401．．．基板
402．．．能量源
403．．．退火室
404．．．光學感測器
408．．．控制部件
410．．．步驟
411．．．高精度載物台
414．．．基板支架
415．．．控制部件
416．．．頂表面
420．．．步驟
424．．．真空泵
425．．．氣體源
426．．．室體
427．．．處理體積
428．．．視窗
430．．．步驟
440．．．步驟
450．．．步驟
460．．．步驟
470．．．步驟
480．．．步驟
490．．．步驟
495．．．步驟
參見本發明的實施方式，其中的一些實施方式在本申請所附的附圖中加以說明，並結合上述對本發明的概述和對本發明更具體的描述，可以更加詳細地理解本發明的上述特徵。然而，需要注意的是，附圖僅示出本發明的典型實施方式，由於本發明可能允許有其它等效的實施方式，因此不能認為本發明的範圍僅為附圖所限定的這些實施方式。
第1圖示意性示出根據本發明的一個實施方式的脈衝雷射退火製程的等軸視圖。
第2A圖示意性示出正在處理的基板的頂視圖，示出了正在處理的基板和能量源的退火區域之間的相對移動。
第2B圖示意性示出根據本發明的一個實施方式的能量脈衝，以及基板與能量源之間的相對移動的流程圖。
第2C圖示意性示出根據本發明的一個實施方式的退火室402。
第3圖示出根據本發明的一個實施方式的包括用於執行退火製程的典型步驟的流程圖。
第4A圖示意性示出根據本發明的一個實施方式的脈衝退火系統的第一處理位置的頂視圖。
第4B圖示意性示出第4A圖的脈衝退火系統的第二處理位置的頂視圖。
第5A圖示意性示出根據本發明的一個實施方式的基板支架組件的等軸視圖。
第5B-5E圖示意性示出在處理位置的第5A圖的基板支架組件的頂視圖。
第6圖示出根據本發明的一個實施方式的脈衝退火製程的流程圖。
為了便於理解，已經盡可能地使用相同元件符號表示附圖中共用的相同元件。可以理解的是在一個實施方式中揭示的各元件同樣可以有利地用於其它實施方式中，而不需要另加具體引用說明。
200．．．退火處理系統
201．．．載物艙
202．．．前端環境
203．．．生產界面機械手臂
205．．．處理室
206．．．加載區
207．．．處理區
208．．．加載區
209．．．狹口閥門
210．．．狹口閥門
211．．．門
212．．．門
213．．．基板支架組件
214．．．基板支架組件
215．．．梭
216．．．能量源
217．．．光導管
218．．．退火區域
219．．．室體

Claims (22)

  1. 一種半導體處理室，其包括：一設置成支撐基板的第一基板支架；一設置成支撐基板的第二基板支架；一連接到該第一基板支架並設置成在一處理區和一第一加載區之間移動該第一基板支架的梭，其中該處理區具有一設置成交替容納該第一基板支架和該第二基板支架的處理體積；以及一用於將該處理區與該第一加載區選擇性隔離的第一門。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理室，其中，將該梭連接到該第二基板支架，並將該梭設置成在該處理區和一第二加載區之間移動該第二基板支架，以及一用於將該處理區與該第二加載區選擇性隔離的第二門。。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體處理室，其中，該梭具有一第一位置和一第二位置，當該梭處在該第一位置時，該第一基板支架在該第一加載區中，而該第二基板支架在該處理區中；而當該梭處在該第二位置時，該第一基板支架在該處理區中，而該第二基板支架在該第二加載區中。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的半導體處理室，其中，該梭同時移動該第一和第二基板支架。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的半導體處理室，還包括：一設置在該處理區中的能量源，其中將該能量源設置成向一退火區域投射能量，將該第一和第二基板支架設置成將基板的所需退火部分與該退火區域對準。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的半導體處理室，其中，該第一和第二基板支架中的每一個包括：一設置成用於將基板固定其上的基板夾盤；一設置成沿一第一方向平移該基板夾盤的第一載物台；以及一設置成沿一第二方向平移該基板夾盤的第二載物台。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的半導體處理室，其中，該第一和第二基板支架中的每一個還包括一設置成使該基板夾盤圍繞該基板夾盤的中心軸旋轉的旋轉機構。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的半導體處理室，其中，該第一和第二基板支架中的每一個還包括一設置成加熱或冷卻放置在該基板夾盤上的基板的溫度控制組件。
  9. 如申請專利範圍第5項所述的半導體處理室，其中，將該能量源設置成用於投射脈衝雷射能量。
  10. 一種退火系統，其包括：一具有一處理區、一第一加載區和一第二加載區的處理室；用於將該處理區與該第一加載區與該第二加載區選擇性隔離的門；一設置成在該第一加載區和該處理區之間支撐並傳送基板的第一基板支架組件；一設置成在該第二加載區和該處理區之間支撐並傳送基板的第二基板支架組件；一設置成將該第一和第二基板支架組件交替放置在該處理區中的梭；以及一設置成用於向該處理區中的一退火區域投射能量的能量源。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的退火系統，其中，將該第一加載區和該第二加載區放置在該處理區的相對側，該梭具有一第一位置和一第二位置，當該梭處在該第一位置時，該第一基板支架組件在該第一加載區中，而該第二基板支架組件在該處理區中；而當該梭處在該第二位置時，該第一基板支架組件在該處理區中，而該 第二基板支架組件在該第二加載區中。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的退火系統，其中，該第一和第二基板支架組件中的每一個包括：一設置成用於將基板固定其上的基板夾盤；一設置成沿一第一方向平移該基板夾盤的第一載物台；以及一設置成沿一第二方向平移該基板夾盤的第二載物台。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的退火系統，其中，該第一和第二基板支架組件中的每一個還包括一設置成用於使該基板夾盤圍繞該基板夾盤的中心軸旋轉的旋轉機構。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的退火系統，其中，該第一和第二基板支架組件中的每一個還包括一設置成用於加熱或冷卻放置在該基板夾盤上的基板的溫度控制組件。
  15. 一種用於處理半導體基板的方法，其包括：將一第一基板加載到設置在一第一加載區中的一 第一基板支架組件上；在該第一加載區中預加熱該第一基板；將該第一基板支架組件移動通過在該第一加載區與一處理區之間之一第一門到該處理區，以便將該第一基板放置在該處理區中；將該第一基板的一第一區域與設置在該處理區中的一能量源的一退火區域對準；藉由關閉和密封在該處理區與該第一加載區之間的該第一門，將該處理區與該第一加載區流體隔離；以及使用該能量源將脈衝能量投射到該第一基板的該第一區域。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，還包括：將該第一基板的一第二區域與該能量源的該退火區域對準；以及使用該能量源將脈衝能量投射到該第一基板的該第二區域。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的方法，還包括：當將該第一基板與該能量源對準並向該第一基板投射脈衝能量時，在一第二加載區中將一第二基板加載到一第二基板支架組件上，並在該第二加載區與該處理區之間之一第二門被關閉且密封下，預加熱該第二基板。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，還包括：藉由從該處理區將該第一基板支架組件移動通過該第一門到該第一加載區將該第一基板從該處理區移動到該第一加載區，同時藉由將該第二基板支架組件從該第二加載區移動通過該第二門到該處理區將該第二基板放置在該處理區中。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中，由一梭執行移動該第一和第二基板支架組件。
  20. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中，將該第一基板的該第一區域與該退火區域對準包括：使用一設置在該第一基板支架組件上的第一載物台沿一第一方向平移該第一基板；以及使用一設置在該第一基板支架組件上的第二載物台沿一第二方向平移該第一基板。
  21. 如申請專利範圍第15項所述的方法，還包括在該第一加載區中預加熱該第一基板之後，將該第一基板在該第一基板支架組件上卡緊。
  22. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中，還包括在該第一加載區中從該第一基板支架組件卸載該第一基 板。
TW097130996A 2007-08-15 2008-08-14 脈衝雷射退火系統 TWI446479B (zh)

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