TWI555063B - Laser annealing device - Google Patents

Description

激光退火裝置

本發明涉及半導體設備技術領域，特別是涉及一種用於退火工藝中的激光退火裝置。

過去數十年，電子器件製造遵循摩爾定律，經歷了快速發展。減小積體電路尺寸是維持這一趨勢的原動力，而隨著製造尺寸的縮小，帶來了製造工藝技術上的困難和挑戰。在互補金屬氧化物半導體電晶體(CMOS)的形成過程中，熱處理一直起著關鍵的作用，特別是對於超淺接面活化以及矽化物形成等關鍵過程來講，更是至關重要。傳統的快速退火已經很難滿足32nm及更高節點的要求，新的退火技術替代快速熱退火正在被大量研究，如閃光燈退火、激光尖峰退火、低溫固相磊晶等。其中，激光退火技術已顯示出良好的應用前景。

激光退火採用激光掃描整片矽片，在很短的時間在較小的區域產生熱量，並使溫度正好低於矽的熔點，之後冷卻過程亦在很短時間能完成，駐留時間在幾百微秒，是一種有效地無擴散工藝。由於駐留時間極短，為擴散提供驅動力的溫差在錯位前就會消失，可以減小矽片應力。對於毫秒退火，最重要的成品率問題包括圖形的相關性，加工工藝中的矽片具有圖形結構，包括絕緣層和各種離子佈值，其改變了薄膜的光學反射率，隨之而來的光學吸收量 和升溫速度的改變。一些集成方案採用吸收層來彌補這種表面光學屬性，這使得工藝成本和成品率風險大大增加。

美國專利US2013/0196455A1公開的採用波長10.6um 的CO₂激光器P偏振布魯斯特角入射矽片，從而使得表面最大吸收，最小化光學吸收差異。但是這一方法局限於P偏振光、採用布魯斯特角入射矽片，因此還需要進行改善。

本發明的目的在於，提供一種激光退火裝置，使得入射角的範圍更為寬闊，且能夠改善表面吸收和光學吸收差異。

本發明的另一目的在於，提供一種激光退火裝置，不局限於僅適用於P偏振光進行入射，提高裝置的適用性。

為解決上述技術問題，本發明提供一種激光退火裝置，用於對放置於工件台上的矽片進行退火，包括：激光光源，用於發出光束；第一光學單元，用於將激光光源發出的所述光束轉換為第一類型偏振光；以及第二光學單元，包括一光引導元件以及第一反射元件，所述光引導元件用於使所述第一類型偏振光沿第一光路第一次入射至矽片表面並由矽片表面反射，所述反射光經第一反射元件反射後沿與所述第一光路對稱的第二光路第二次入射至矽片表面並由矽片表面反射至所述光引導元件。

可選地，所述光引導元件為偏振分光稜鏡，所述第一反射元件為反射鏡。

可選地，所述第二光學單元還包括沿所述第二光路位於第一反射鏡和矽片表面之間的1/4波片，所述1/4波片用於改變入射至1/4波片的光束類型。

可選地，所述第二光學單元還包括第二反射鏡，所述 第二反射鏡位於偏振分光稜鏡的一側，所述一側不同於第一光學單元產生的第一類型偏振光入射至偏振分光稜鏡的一側，且所述偏振分光稜鏡用於透過第一類型偏振光、與第一類型相反的第二類型偏振光中的一個，反射第一類型偏振光、第二類型偏振光中的另一個，使得第二次入射至矽片表面並反射通過所述偏振分光稜鏡的第二類型偏振光被所述第二反射鏡反射回偏振分光稜鏡。

可選地，所述第二反射鏡與所述第一光路平行設置， 入射光沿第一光路的方向入射至偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡允許第一類型偏振光透過，對第二類型偏振光反射。

可選地，所述第二反射鏡與第一光路垂直設置，入射 光沿與第一光路垂直的方向入射至偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡允許第二類型偏振光透過，對第一類型偏振光反射。

可選地，所述第二光學單元還包括沿所述第一光路位 於偏振分光稜鏡和矽片表面之間的第一透鏡。

可選地，所述第二光學單元還包括沿所述第一光路位 於所述1/4波片和矽片表面之間的第二透鏡。

可選地，所述第一類型偏振光經偏振分光稜鏡、第一 透鏡後第一次入射至矽片表面並反射，第一反射光束入射第二透鏡、1/4波片，經第一反射鏡反射；反射後入射1/4波片、第二透鏡，成第二類型偏振光第二次入射矽片表面並反射，第二反射光束入射第一透鏡、偏振分光稜鏡，經第二反射鏡反射；反射後入射偏振分光稜鏡、第一透鏡，成第二類型偏振光第三次入射矽片表面並反射，第三反射光束入射第二透鏡、1/4波片，經第一反射鏡反射；反 射後入射1/4波片、第二透鏡，成第一類型偏振光第四次入射矽片表面並反射，第四反射光束經第一透鏡、偏振分光稜鏡後離開所述第二光學單元。

可選地，所述第一類型偏振光為P偏振光和S偏振光中的一個，所述第二類型偏振光為P偏振光和S偏振光中的另一個。

可選地，所述第一光學單元按光束入射路徑依次包括衰減器，準直擴束鏡組，勻光器和偏振調節單元。

可選地，所述第一光路與矽片表面的角度為30度至80度，優選地，為60度至80度。

與現有技術相比，本發明提供的激光退火裝置中的第二光學單元相當於一個能量補償單元，能使矽片表面反射光通過該能量補償單元多次入射矽片面。相比現有技術，本發明通過將反射光補償使得表面最大吸收，最小化光學吸收差異。此外，從所述能量補償單元向矽片表面入射的光的入射角有著較大的範圍，解決了局限於布魯斯特角入射的狀況，且S偏振光和P偏振光都能夠被使用，可取得與特定的布魯斯特角入射相當的作用效果，因此提高了激光退火裝置的適應性。

10‧‧‧激光光源

20‧‧‧衰減器

30‧‧‧準直擴束鏡組

40‧‧‧勻光器

50‧‧‧偏振調節單元

60‧‧‧能量補償單元

70‧‧‧矽片

80‧‧‧工件台

100‧‧‧偏振光

101‧‧‧P偏振光

102‧‧‧反射光束

103‧‧‧S偏振光

104‧‧‧反射光束

105‧‧‧S偏振光

106‧‧‧反射光束

107‧‧‧P偏振光

108‧‧‧反射光束

200‧‧‧前端光學單元

601‧‧‧第一反射鏡

602‧‧‧偏振分光稜鏡

603‧‧‧第一透鏡

604‧‧‧第二透鏡

605‧‧‧1/4波片

606‧‧‧第二反射鏡

圖1為本發明實施例的激光退火裝置的示意圖；圖2為本發明第一實施例中能量補償單元的示意圖；圖3為第一實施例中相同複折射不同入射次數下不同入射角對應無因次透射能量密度的關係圖；圖4為第一實施例中相同入射角下不同折射率對應無因次透射 能量密度的關係圖；圖5為本發明第二實施例中能量補償單元的示意圖；圖6為第二實施例中不同折射率對應無因次透射能量密度的關係圖；圖7為本發明第三實施例中能量補償單元的示意圖。

下面將結合示意圖對本發明的激光退火裝置進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對於本領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。

為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述公知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的，但是對於本領域技術人員來說僅僅是常規工作。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

本發明的核心思想是，提供一種激光退火裝置，用於對放置於工件台上的矽片進行退火，包括：激光光源、前端光學單 元及能量補償單元，激光光源發出的光束經所述前端光學單元整形、偏振調節成偏振光入射能量補償單元，通過能量補償單元實現入射光束多次入射矽片。

以下列舉所述激光退火裝置的較優實施例，以清楚說明本發明的內容，應當明確的是，本發明的內容並不限制於以下實施例，其他通過本領域普通技術人員的常規技術手段的改進亦在本發明的思想範圍之內。

基於上述思想，下面提供激光退火裝置的較優實施例，請參考圖1，圖1為本發明中的激光退火裝置的示意圖。如圖1所示，包括：激光光源10、前端光學單元200及能量補償單元60，矽片70放置於工件台80上，激光光源10例如可以發射出紅外光、可見光或者紫外光，發出的光束經所述前端光學單元200整形、偏振調節成偏振光入射能量補償單元60，通過能量補償單元60實現入射光束多次入射矽片70。

所述前端光學單元200包括衰減器20，準直擴束鏡組30，勻光器40和偏振調節單元50，光束依次入射並出射後形成所需類型的偏振光。下面結合多個實施例進行詳細說明。

請參考圖2，本發明第一實施例的能量補償單元60包括：偏振分光稜鏡602、第一透鏡603、第二透鏡604，1/4波片605和第二反射鏡606，光束經過偏振分光稜鏡602和第一透鏡603後投射在矽片70上，經矽片70反射後依次經過第二透鏡604和1/4波片605投射至第二反射鏡606。其中，所述1/4波片用於改變入射至1/4波片的光束類型。

如圖2所示的本發明第一實施例為優選實施例，其 中，所述能量補償單元還包括第一反射鏡601，所述第一反射鏡601位於偏振分光稜鏡602一側，且在偏振分光稜鏡602與第一透鏡603連線靠近矽片70的一側。所述偏振分光稜鏡602能把入射的非偏振光分成兩束垂直的線偏光。其中，P偏振光完全通過，而S偏振光以45度角被反射，出射方向與P偏振光成90度角。

繼續參考圖2，調節前端光學單元200使得入射的偏振光100為P偏振光(P偏振光用具有一對平行線的箭頭表示)，經偏振分光稜鏡602、第一透鏡603後成P偏振光101入射至矽片70表面並反射，反射光束102入射第二透鏡604、1/4波片605，經第二反射鏡606反射；反射後入射1/4波片605、第二透鏡604，成S偏振光103(S偏振光用具有一對圓點的箭頭表示)再次入射矽片70表面並反射，反射光束104入射第一透鏡603、偏振分光稜鏡602，由於入射至偏振分光稜鏡602的光為S偏振光，所以被偏振分光稜鏡602反射至第一反射鏡601，出射方向與入射方向成90度角，經第一反射鏡601反射；反射後入射偏振分光稜鏡602、第一透鏡603，成S偏振光105第三次入射矽片70表面並反射，反射光束106入射第二透鏡604、1/4波片605，經第二反射鏡606反射；反射後入射1/4波片605、第二透鏡604，成P偏振光107第四次入射矽片70表面並反射，反射光束108經第一透鏡603、偏振分光稜鏡602，由於入射至偏振分光稜鏡602的光為P偏振光，所以可以通過偏振分光稜鏡602，即，離開能量補償單元。

本發明中入射光在矽片70表面的反射情況如下：定義環境空氣折射率為n₀，器件材料的折射率為n₁，入射角θ₀，折射角θ₁。根據菲涅耳公式，P偏振和S偏振條件下，介質n₀、n₁分界面的 反射率R和透射率T分別為：

其中入射角和折射角滿足關係式n ₀ ^/ n ₁=^sin θ ₁ ^/sin θ ₀，下標S、P分別表示S偏振情況和P偏振情況。

設一次入射和四次入射情況下，無因次透射能量密度分別為I₁和I₂，根據公式(1)和(2)，可知：I₁=T_p，I₂=T_p+R_p×T_s+R_p×R_s×T_s+R_p×R_s×R_s×T_p。

請結合圖3，示出了在相同複折射率不同入射次數下不同入射角對應無因次透射能量密度的關係。從圖中曲線可以看出，在使用能量補償單元情況，任意角度下表面吸收要優於一次入射條件下的值，且四次入射優於二次入射。在本實施例中，測試的入射角度為30°至80°，例如入射光線在45°入射時，入射角度波動±1°之間，一次入射表面吸收波動(入射表面吸收波動為在44°~46°範圍內，無因次透射能量密度最大值和最小值之差與最大值和最小值之和的比值)0.889%，二次入射表面吸收波動0.189%，四次入射表面吸收波動0.052%。例如在60°入射時，入射角度波動±1°之間，一次入射表面吸收波動1.152%，二次入射表面吸收波動0.484%，四次入射表面吸收波動0.095%。通過能量補償單元收集反射光補償矽片，其對入射角度波動的抗干擾性能優於未使用的，且進行三次補償(即四次入射)的優於一次補償(即二次入射)的。採用能量補 償單元，將反射光三次收集進行補償入射，最大化表面吸收，從而有利於獲得較佳的退火效果。雖然入射角為布魯斯特角時能夠獲得理論上的最大化表面吸收，但是在本實施例中，通過反射補償，入射角度不必嚴格控制在布魯斯特角附近，依然能夠獲得可以接收的表面吸收效果，從而有著更強的適應性。

請結合圖4，示出了相同入射角下不同折射率對應無因次透射能量密度的關係。從圖中曲線可以看出，兩種入射角度下，四次入射較一次入射無因次透射能量密度均得到了有效提高，同時採用能量補償單元形成四次入射時，材料折射率波動引起的光學吸收差異被弱化。折射率最大/最小兩極端情況下，在45°入射時，一次入射表面吸收波動14.66%，四次入射表面吸收波動3.13%，在60°入射時，一次入射表面吸收波動11.28%，四次入射表面吸收波動1.99%。四次入射時一方面提高了光學吸收，同時降低了光學屬性差異引起的光學吸收波動。考慮到60°入射優於45°入射情況，因此，在實際應用中，激光退火裝置優選大角度入射，例如60°至80°。

請參考圖5，其示出了本發明第二實施例，本實施例亦為一較佳實施例，為了簡便，本實施例與第一實施例相同或相似的模組採用相同的標號，並省略相應說明。與實施例一不同的是，所述第一反射鏡601位於偏振分光稜鏡602與第一透鏡603連線上遠離第一透鏡603的一側。調節前端光學器件200使得入射的偏振光為S偏振光100，經偏振分光稜鏡602、第一透鏡603後成S偏振光101入射至矽片70表面並反射，反射光束102入射第二透鏡604、1/4波片605，經第二反射鏡606反射；反射後入射1/4波片605、第二透鏡604，成P偏振光103再次入射矽片70表面並反射，反射光束104入射第一 透鏡603、偏振分光稜鏡602，經第一反射鏡601反射；反射後入射偏振分光稜鏡602、第一透鏡603，成P偏振光105第三次入射矽片70表面並反射，反射光束106入射第二透鏡604、1/4波片605，經第二反射鏡606反射；反射後入射1/4波片605、第二透鏡604，成S偏振光107第四次入射矽片70表面並反射，反射光束108經第一透鏡603、偏振分光稜鏡602後離開能量補償單元。

請結合圖6，示出了S光入射下不同折射率對應無因次透射能量密度的關係。從圖中曲線可以看出，S光入射能量補償單元後，四次入射與一次入射比較可知，矽片的表面吸收提高兩倍以上，而在折射率最大/最小兩極端情況下，一次入射表面吸收波動22.5%，四次入射表面吸收波動1.99%。四次入射情況下，首次入射能量補償單元的光束偏振態不影響最終的作用效果。

請參考圖7，其示出了本發明的第三實施例，為了簡便，本實施例與第一實施例相同或相似的模組採用相同的標號，並省略相應說明。入射的偏振光100為P偏振光，經偏振分光稜鏡602、第一透鏡603後成P偏振光101入射至矽片70表面並反射，反射光束102入射第二透鏡604、1/4波片605，經反第二射鏡606反射；反射後入射1/4波片605、第二透鏡604，成S偏振光103再次入射矽片70表面並反射，反射光束104經過第一透鏡603、偏振分光稜鏡602後離開能量補償單元。

在本實施例中，能量補償單元得到了簡化，同樣的光線在矽片上的反射次數也減少。但是結合第一實施例不難看出，本實施例採用了一次補償入射矽片，相比一次反射，依然能夠起到較好的效果。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其均等技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。

10‧‧‧激光光源

20‧‧‧衰減器

30‧‧‧準直擴束鏡組

40‧‧‧勻光器

50‧‧‧偏振調節單元

60‧‧‧能量補償單元

70‧‧‧矽片

80‧‧‧工件台

200‧‧‧前端光學單元

Claims (13)

1. 一種激光退火裝置，用於對放置於工件台上的矽片進行退火，包括：激光光源，用於發出光束；第一光學單元，用於將激光光源發出的所述光束轉換為第一類型偏振光；以及第二光學單元，包括一光引導元件以及第一反射元件，所述光引導元件用於使所述第一類型偏振光沿第一光路第一次入射至矽片表面並由矽片表面反射，所述反射光經第一反射元件反射後沿與所述第一光路對稱的第二光路第二次入射至矽片表面並由矽片表面反射至所述光引導元件。
2. 如請求項1之激光退火裝置，其中，所述光引導元件為偏振分光稜鏡，所述第一反射元件為反射鏡。
3. 如請求項2之激光退火裝置，其中，所述第二光學單元還包括沿所述第二光路位於第一反射鏡和矽片表面之間的1/4波片，所述1/4波片用於改變入射至1/4波片的光束類型。
4. 如請求項3之激光退火裝置，其中，所述第二光學單元還包括第二反射鏡，所述第二反射鏡位於偏振分光稜鏡的一側，所述一側不同於第一光學單元產生的第一類型偏振光入射至偏振分光稜鏡的一側，且所述偏振分光稜鏡用於透過第一類型偏振光、與第一類型相反的第二類型偏振光中的一個，反射第一類型偏振光、第二類型偏振光中的另一個，使得第二次入射至矽片表面並反射通過所述偏振分光稜鏡的第二類型偏振光被所述第二反射鏡反射回偏振分光稜鏡。
5. 如請求項4之激光退火裝置，其中，所述第二反射鏡與所述第一光路平行設置，入射光沿第一光路的方向入射至偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡允許第一類型偏振光透過，對第二類型偏振光反射。
6. 如請求項4之激光退火裝置，其中，所述第二反射鏡與第一光路垂直設置，入射光沿與第一光路垂直的方向入射至偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡允許第二類型偏振光透過，對第一類型偏振光反射。
7. 如請求項3之激光退火裝置，其中，所述第二光學單元還包括沿所述第一光路位於偏振分光稜鏡和矽片表面之間的第一透鏡。
8. 如請求項7之激光退火裝置，其中，所述第二光學單元還包括沿所述第一光路位於所述1/4波片和矽片表面之間的第二透鏡。
9. 如請求項8之激光退火裝置，其中，所述第一類型偏振光經偏振分光稜鏡、第一透鏡後第一次入射至矽片表面並反射，第一反射光束入射第二透鏡、1/4波片，經第一反射鏡反射；反射後入射1/4波片、第二透鏡，成第二類型偏振光第二次入射矽片表面並反射，第二反射光束入射第一透鏡、偏振分光稜鏡，經第二反射鏡反射；反射後入射偏振分光稜鏡、第一透鏡，成第二類型偏振光第三次入射矽片表面並反射，第三反射光束入射第二透鏡、1/4波片，經第一反射鏡反射；反射後入射1/4波片、第二透鏡，成第一類型偏振光第四次入射矽片表面並反射，第四反射光束經第一透鏡、偏振分光稜鏡後離開所述第二光學單元。
10. 如請求項4之激光退火裝置，其中，所述第一類型偏振光為P偏振光和S偏振光中的一個，所述第二類型偏振光為P偏振光和S偏振光中的另一個。
11. 如請求項1至8中任一項之激光退火裝置，其中，所述第一光學單元按光束入射路徑依次包括衰減器，準直擴束鏡組，勻光器和偏振調節單元。
12. 如請求項1之激光退火裝置，其中，所述第一光路與矽片表面的角度為30度至80度。
13. 如請求項12之激光退火裝置，其中，所述第一光路與矽片表面的角度為60度至80度。