TWI557780B - 用於缺陷退火與摻質活化之高效率線形成光學系統及方法 - Google Patents

用於缺陷退火與摻質活化之高效率線形成光學系統及方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI557780B
TWI557780B TW104136768A TW104136768A TWI557780B TW I557780 B TWI557780 B TW I557780B TW 104136768 A TW104136768 A TW 104136768A TW 104136768 A TW104136768 A TW 104136768A TW I557780 B TWI557780 B TW I557780B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
line image
semiconductor wafer
line
optical system
laser
Prior art date
Application number
TW104136768A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201620021A (zh
Inventor
塞爾瑰 阿尼契科夫
安德魯 漢瑞魯克
Original Assignee
精微超科技公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 精微超科技公司 filed Critical 精微超科技公司
Publication of TW201620021A publication Critical patent/TW201620021A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI557780B publication Critical patent/TWI557780B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0626—Energy control of the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/2636—Bombardment with radiation with high-energy radiation for heating, e.g. electron beam heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/56—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26 semiconducting

Description

用於缺陷退火與摻質活化之高效率線形成光學系統及方法
本揭露係關於形成一線影像之光學系統，且特別是關於用於缺陷退火與摻質活化之高效率線形成光學之系統及方法。
本文所提及的任何出版物或專利文件所揭露之整體因參照包括以下之內容而完整體現：美國專利號8,014,427;美國2012/0111838;美國2007/0072400;美國專利號7,148,159;美國專利號8,546,805;美國專利號8,865,603;美國專利號8,309,474;和美國專利申請序列號14/497,006。
許多應用必須使用一個由高功率雷射光束形成之均勻線影像。此類應用之一如雷射熱處理（laser thermal processing；LTP），在本技術領域中也被稱作雷射尖峰退火（laser spike annealing；LSA），或簡稱雷射退火（laser annealing）。其用於半導體製程中，在形成主動微電路元件如電晶體時，活化於半導體晶圓之選擇區域中的摻質。
一雷射退火方式係使用由雷射光束形成之掃描線影像，以加熱半導體晶圓表面至一溫度（「退火溫度」），並持續一段時間，此時間夠長可活化摻質，但也夠短能降低摻質擴散。該半導體晶圓的表面維持於所述退火溫度的時間係取決於線影像的功率密度，以及線影像寬度與線影像被掃描之速度（「掃描速度」）之比值。
一種用於雷射退火應用之高功率雷射為CO2 雷射。傳統使用CO2 雷射執行雷射退火的方法，包括將光束映射至一對刀片邊緣上，然後光束接續穿過其中而至一影像平面並形成線影像。刀片邊緣被定位使其僅能透射高斯雷射光束之狹窄中心部分（例如，10％），因其強度非常均勻，其所產生之線影像沿著線影像的長度方向也會非常均勻。
可惜的是，僅使用雷射光束之狹窄中心部分意味著其餘90％的光束被捨棄，是一種非常無效率地使用高強度雷射光束的方法。另一方面，傳統的作法是允許較大部分的高斯光束通過，然而卻會造成沿其長度方向線影像之不均勻，這是因為高斯光束之強度會隨離光束中心愈遠而大幅下降。
此外，在一些應用中最好能同時執行缺陷退火和尖峰退火。就此，CO2 雷射光束會與較寬之雷射光束，通常是由二極體雷射產生，結合使用。較寬之雷射光束通常需要比CO2 光束較長的時間，才能將周圍區域的溫度提高到一個中級溫度，CO2 光束常以約1毫秒或更少的時間使表面升溫至“尖峰溫度” 1300°C。通常，較寬之雷射光束需數毫秒（例如，從2毫秒至20毫秒的範圍）以將所述區域加熱至700°C 與1200°C 之間的中級溫度。利用二極體雷射將基板加熱至此溫度和此時間範圍，其所須的總功率是很大的，通常為數千瓦（killowatts）。要整合此二種雷射光束通常非常具有挑戰性。在傳統系統中，CO2 雷射光束與二極體雷射光束是無法共一直線的，這是因為二者所用傳送雷射光束至半導體晶圓所需要之光學元件非常不同。
另外，在設計雷射退火工具時，一重要的限制是避免雷射光束入射至半導體晶圓之側壁。雷射光束以布魯斯特角 (Brewster’s Angle) 入射至半導體晶圓的表面，以矽而言是約 70°C。以此入射角，在半導體晶圓側邊的功率密度比半導體晶圓表面的功率密度大超過三倍，這會損害半導體晶圓，甚至造成斷裂。美國專利 8,071,908 已顯示，一個鋸齒形邊緣可以保護以CO2 雷射光束入射之半導體晶圓之側壁。然而，額外的（二極體）雷射也需要避免半導體晶圓之側壁，因為二極體雷射提供很大的功率，通常如3千瓦。從幾何上來看，若以設計邊緣來保護一以CO2 雷射從一方向入射的晶圓，且二極體雷射從和CO2 雷射相差為90度之方向入射，事實上它會是造成一過度限制的問題。因此，若以如此高功率之二極體雷射，卻沒有配合較昂貴和、或耗時的步驟來避免半導體晶圓損壞或斷裂，其實會是非常不實際的。
上述方法之另一個缺點是來自「圖案效應」。圖案效應是指來自半導體晶圓上的圖案而產生之溫度不均勻性。該圖案是指所形成元件和互連線的尺寸特徵。當入射雷射之波長較短時（即較靠近光的可見波長），圖案效應就更為顯著，因為圖案效應係源於雷利散射 (Raleigh scattering)，其會以元件特徵或圖案大小 (δ) 與波長 (λ) 之比例之四次方 (即δ/λ)4 之速率上升。
本發明所揭露之概念係針對以CO2 雷射執行缺陷退火之系統及方法，而其它概念包括額外使用可見波長之二極體雷射（或稱「可見光二極體雷射」）以執行雷射尖峰退火。對於和雷射尖峰退火一起執行的缺陷退火，CO2 雷射是用於提供半導體晶圓表面溫度大部分的上升（例如，至少至一缺陷退火溫度），而可見光二極體雷射則被用來提供額外的加熱，以提升局部溫度至退火（即摻質活化）溫度。在一示例中，由二極體雷射所提供的溫度上升量愈小愈好，其所帶來的好處是因為CO2 雷射的波長比可見光二極體雷射的波長約長10倍到20倍。因此，使用CO2 雷射之不良圖案效應遠小於用可見光雷射二極體。該方法包括以CO2 雷射開始，為缺陷退火提供相當長持續時間的溫升，然後以可見光二極體雷射作相對短時間的尖峰退火，即摻質活化。這需要由CO2 雷射提供到半導體晶圓的功率必須相當的大，其範圍從2000 W至3000W（即2千瓦至3千瓦），同時在可用光束長度（例如，從5 mm至100 mm的範圍內）及光束寬度（例如，從25 μm到1 mm的範圍內）下，也具有可接受的強度均勻性，如在 +/- 5% 之內。值得注意的是，儘管原始的CO2 雷射光束可能可以提供所需的功率，而其強度為高斯分佈，其無法在可用光束長度下提供所需要的強度均勻性。
除了能減輕不良之圖案效應，在本文所揭露之系統和方法的另一優點為，在從可見波長光束入射至半導體晶圓側壁的功率密度也被減小（例如，可降到次千瓦），從而減少半導體晶圓因邊緣或側壁被照射而造成半導體晶圓損壞或斷裂的風險。
本發明所揭露之一概念是在半導體晶圓有包含圖案之表面，於缺陷退火溫度TD 之下執行缺陷退火的一個方法，其中，該方法包括：由CO2 雷射形成一波長標稱值10.6微米的光束，且在至少一第一方向之第一強度分佈為高斯分佈；在該第一方向通過至少50％的光束以形成第一透射光；將第一透射光聚焦於一中間焦平面，以定義一第二強度分佈，該第二強度分佈具有一中央峰及緊鄰中央峰的複數第一側峰；在每一第一側峰內修截第二強度分佈以界定第二透射光，第二透射光於半導體晶圓的表面上形成具有介於2000 W和3000 W之間光功率之第一線影像，且沿在5毫米至100毫米範圍內之第一線長度，具有 +/-5％內之強度均勻度；於半導體晶圓的表面掃描第一線影像，以局部地將半導體晶圓之表面的溫度提高至缺陷退火溫度TD 。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中缺陷退火溫度TD係在650°C ≤ TD ≤ 1100°C之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，還包括於一尖峰退火溫度TA 下執行尖峰退火，所述尖峰退火包含：使用具有可見波長之第二光束在半導體晶圓之表面形成第二線影像，其中所述之第二線影像至少部分重疊於所述第一線影像；及掃描第二線影像以局部地將半導體晶圓之表面的溫度從缺陷退火溫度TD 提高至尖峰退火溫度TA 。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之尖峰退火溫度TA 係在1150°C≤ TA ≤1350°C之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中第一線影像具有第一寬度，且第二線影像具有第二寬度，第二寬度係在第一寬度之 5％ 至25％之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中第一寬度的範圍是從25微米至1毫米。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，還包括使用雷射二極體光源以及與雷射二極體光源可操作地相對設置之線形成光學元件以形成第二光束。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中可見波長係在500 nm至1000 nm之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中第二線影像具有在5 mm至100 mm之範圍間之第二線長度，以及具有在 +/-5％ 內之強度均勻度。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之方法，其中半導體晶圓之表面的溫度與尖峰退火溫度TA 之間有源自於圖案效應之一差異，所述差異不超過60°C。
本發明所揭露的另一個概念是一種執行半導體晶圓之缺陷退火之系統，半導體晶圓之表面具有圖案，所述系統包含：一CO2 雷射光源，發射具有波長標稱值 10.6微米之初始光束之；一光束調節光學系統，接收所述初始光束，從而形成已調節光束，所述已調節光束具有至少在第一方向有高斯分佈的第一強度分佈；一第一光圈裝置，可操作地設置於物件平面，定義一第一狹縫光圈，第一狹縫光圈修截於第一方向之第一強度分佈以定義至少由50％之已調節光束所構成之第一透射光；一中繼光學系統，定義物件平面也定義中間焦平面，第二光圈裝置可操作地設置於中間焦平面，中繼光學系統，定義第二強度分佈於所述中間焦平面，第二強度分佈具有中央峰及緊鄰中央峰之複數第一側峰，其中第二光圈裝置被配置以沿第一方向以及在每一第一側峰內修截第二強度分佈以定義第二透射光；其中，中繼光學系統自第二透射光而在半導體晶圓之表面形成第一線影像，其中第一線影像包含2000 W至3000 W之範圍間之光功率，具有在5 mm至100 mm之範圍間之第一長度，且具有在+/- 5% 內之強度均勻度；一可操作地支撐所述半導體晶圓之卡盤；及一可移動之晶圓載台，其可操作地支撐卡盤，設置以移動卡盤和被支撐於卡盤上之半導體晶圓，使得第一線影像可在半導體晶圓之表面上掃描，以局部地將半導體晶圓之表面的溫度提高至缺陷退火溫度TD 。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中所述之缺陷退火溫度TD 係在650°C至1100°C之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中卡盤被加熱，使其可預熱半導體晶圓。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，進一步包括一基於二極體之線形成光學系統，其可產生一可見光束，該可見光束在半導體晶圓之表面上形成第二線影像，該第二線影像至少部分地重疊於第一線影像且與第一線影像一同掃描，以局部地將半導體晶圓之表面的溫度從缺陷退火溫度TD 提高到尖峰退火溫度TA ，且其中第二線影像具有在+/- 5%內之強度變化。
本發明所揭露的另一個方面是如上所述之系統，其中所述之尖峰退火溫度TA 係在1150°C至1350°C之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中第一線影像和第二線影像各自具有第一寬度與第二寬度，所述第二寬度係在第一寬度之5％ 至25％之範圍間。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中每一第一側峰係由極大值MX、第一極小值m1與第二極小值m2所定義，所述第二光圈裝置係被設置以於每一第一側鋒之極大值MX和第二極小值m2之間修截第二強度分佈。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中中繼光學系統在第一方向上具有實質 為1倍之放大率。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中該中繼光學系統係為柱形光學系統，所述柱形光學系統僅在第一方向上有光功率。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中中繼光學系統僅由反射光學元件所構成。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中第一光圈裝置包括可操作地設置於所述物件平面之一對刀片。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中第二光圈裝置包括可操作地設置於所述中間焦平面之一對刀片。
本發明所揭露之另一概念是如上所述之系統，其中基於二極體之線形成光學系統包括一雷射二極體光源以及與雷射二極體光源相對配置之線形成光學元件。
額外的特徵及優點會於以下實施方式中提出，且基本上對此技術領域具有通常知識者，即能自該描述輕易了解，或藉由實施描述於本說明書、申請專利範圍以及隨附圖式之實施例亦能有所認知。應理解的是，上述之一般說明及下述之實施方式僅作為示例之用，且是為瞭解所述申請專利範圍之本質與特徵所提供之概述與架構。
現在詳細參考本發明之各個不同的實施例，該示例會在隨附圖件中說明。在所有圖件中，盡量會以相同或相似的參考數字和符號代表相同或相似的部件。圖式並非按比例繪製，且於此技術領域中具有通常知識者將能理解為要說明本發明之重要概念而圖式被簡化之處。
以下提出之請求項被併入，且構成此實施方式之一部分。
在部分圖式中所示之直角坐標僅為參考之用，並不作為關於方向或方位之限制。此外，於第二光圈裝置60之直角坐標係以x'和y'表示以區分於第一光圈裝置40及影像平面IP之坐標（x,y）。
在以下的討論中，「雷射光束」（laser beam） 和「光」（light） 二詞可交互替換使用。「微米」和符號「μm」也可以交互替換使用。
「上游」（upstream）和「下游」（downstream）二詞用於指一物件相對於光行進方向之位置，如傳統上光學系統設計領域中所使用，其中，當物件B被稱為物件A的下游時，光行進的方向係由物件A至物件B，反之亦然。
線形成光學系統
第1圖為根據本發明揭露之示例線形成光學系統10（簡稱「系統」）之示意圖。系統10包含一光軸A1、一物件平面OP及一如下所述之線影像80形成於其上之線影像平面IP。
系統10包含一個沿光軸A1及於物件平面OP上游之雷射光源20，其沿著光軸A1朝向物件平面OP發射初始雷射（光）束22。在一示例中，雷射光源20包含一操作於標稱波長10.6微米的CO2 雷射。在一示例中，初始雷射光束22沿至少x方向上具有高斯強度分佈（輪廓分佈），且在另一示例中，是沿x方向及y方向。在一示例中，該初始雷射光束22不需是圓形對稱的，例如，在x方向和y方向上可以有不同大小的高斯強度分佈。在一示例中，該雷射光源20輸出之初始雷射光束22約3500 W的光功率。
系統10亦包含一沿光軸A1且設置於雷射光源20及物件平面OP之間的光束調節光學系統30。該光束調節光學系統30係被配置以接收所述之初始雷射光束22，並從其形成一個已調節雷射（光）束24。在一示例中，光束調節光學系統30被配置以執行光束擴展，使得已調節雷射光束24是初始雷射光束22的擴展形式。在一示例中，光束調節光學系統30被配置以提供已調節雷射光束24於x方向和y方向可選擇的尺寸（分布）。在一示例中，光束調節光學系統30於x方向和y方向，以相同的量擴展初始雷射光束22之尺寸。
光束調節光學系統30可包含至少一鏡面、透鏡、光圈、及類似之光學元件。一示例光束調節光學系統30利用二或更多個離軸鏡面（off-axis mirror），各具有於此技術領域 中已知之光功率（optical power），且其中之二個示例記載於美國專利號2,970,518和3,674,334。在不同示例中，該光束調節光學系統30可以是歪像的（anamorphic）、柱形的（cylindrical）、或圓形對稱的（circularly symmetric）。
在一實施例中，該雷射光源20及該光束調節光學系統30界定一雷射光源系統35，其能產生所需之強度分佈I（X，Y），使已調節雷射光束24得以形成線影像80。在一示例中，該雷射光源20發射一不需調節之合宜初始雷射光束22，故無需光束調節光學系統30，且初始雷射光束22即可取代已調節雷射光束24。因此，在下面的討論中，示例中之已調節雷射光束24可被理解為由一未經處理之初始雷射光束22所界定。
系統10亦包含一沿光軸A1於物件平面OP之第一光圈裝置40。在一示例中，第一光圈裝置40是或包含一對刀片42，各具一邊緣43。刀片42係設置於物件平面OP上，各在光軸A 1之一側，致使各邊緣43面相對並分開，以形成狹縫光圈（slit aperture）44。狹縫光圈44在y方向具其長維度方向（long dimension），可見於特寫插圖IN1中，其以+ z方向上俯視光軸A1之方式顯示第一光圈裝置40。狹縫光圈44於x方向具有寬度d1，該寬度d1界定由該系統10於影像平面IP形成之線影像80的長度L，如下所述。在一示例中，刀片42是可移動，以調整寬度d1，即調整線影像80之長度L。
系統10還包含沿光軸A1，且於第一光圈裝置40下游之中繼光學系統50。為便於說明，顯示於第1圖之中繼光學系統50可視為一透射中繼光學系統。配合第5圖，一反射中繼光學系統50之示例描述於下。 中繼光學系統50包含第一光學元件52A及第二光學元件52B。在一示例中，各個光學元件52A、52B 僅由一或多個光學元件，如：透鏡、鏡面等所構成。中繼光學系統50界定第一光圈裝置40所在之物件平面OP，亦界定形成之線影像80所在之影像平面IP。
中繼光學系統50亦包含一第二光圈裝置60，其安置於第一光學元件52A和第二光學元52B之間及於由光學元件52A所界定之中間焦平面IFP上。參照特寫插圖IN2，所述第二光圈裝置60包含一對刀片62，各具一邊緣63。刀片62係設置於中間焦平面IFP上，各在光軸A 1之一側，致使各邊緣63面相對並分開，以形成狹縫光圈（slit aperture）64。狹縫光圈64在y'方向具其長維度方向（long dimension），即與第一光圈裝置40的狹縫光圈44相同之方向。狹縫光圈64於x'方向具有寬度d2。在一示例中，刀片62是可移動，以調整寬度d2。
在一實施例中，該中繼光學系統50於x-z平面上具有實質單倍的放大（即，實質上為一1 倍之系統）。另外，在多個示例中，中繼光學系統50可以是柱形的或歪像的。第一光圈裝置40之狹縫光圈44其寬度d1可界定已調節雷射光束24於x方向的大小；於xz平面1倍放大率時，d1 = L（見特寫插圖IN3）。
在系統10之一般操作中，已調節雷射光束24被形成，且第一光圈裝置40被配置使已調節雷射光束24中相當大量的光穿過狹縫光圈44。第2A圖為第一光圈裝置40的前視圖（由+ z方向所視），顯示了已調節雷射光束24之接近零強度的輪廓線  (I(x,y) ≈ 0)。在一示例中，已調節雷射光束24於x方向及y方向皆具有高斯分佈，其輪廓於x方向較長（即，強度分布I(x,y) 延伸於x方向）。如前所述，於y方向高斯分布之寬度w1定義了線影像80之寬度w（短維度方向）。在一示例中，寬度w1係由光束調節光學系統30所界定，加上中繼光學系統50於y-z平面上不具有屈光力（即中繼光學系統50為柱形的，僅於x-z平面具屈光力）。此為使用光束調節光學系統30之一個優點，因其可避免使用歪像光學元件來構成第一和第二光學元件，52A和52B。
第2B圖為已調節雷射光束24相對x(mm)之強度I(x)曲線圖，並顯示第一光圈裝置40的刀片42相對已調節雷射光束24之一示例位置。第2A圖中已調節雷射光束24之剔除部（hashed portion）24B表示已調節雷射光束24被各刀片42所遮擋的部分，而穿過狹縫光圈44的部分則以24P表示，也就是以下提到之「第一透射光」（first transmitted light）。其亦顯示於第2B圖，其中強度分布I(x)的虛線部分表示被各刀片42所遮擋已調節雷射光束24之部分光。於第2A圖及第2B圖所說明之示例，已調節雷射光束24中大約90%的光穿過狹縫光圈44，即成為第一透射光24P，而在強度分布之二邊，已調節雷射光束24中大約10%的光被刀片42所遮擋。在一示例中，第一光圈裝置40被配置使能通過至少50%之已調節雷射光束24。
由於第一光圈裝置40係配置以通過一相當大的部分之已調節雷射光束24，因此在狹縫光圈44內其強度變化即非常大。在一示例中該變化大於50%，在另一示例中大於65%，而在另一示例中甚至大於70%。於第2B圖中可清楚看出，其中狹縫光圈44中央（即，於x=0處）之峰值強度（經標準化）為1，而於由刀片42之邊緣43所界定之狹縫光圈44之邊緣，其強度降至0.28，即I(x) 最大值之28%。假若此強度分布I(x) 使用傳統中繼方法被中繼至影像平面IP，則線影像80在長維度方向之強度均勻性也會具有與其相應之變化（即約72%）。此值遠大於所欲之強度均勻性，即在線影像80之長度L之方向，強度均勻在  +/- 5%之內，或在某些情況下是在+/- 2%之內。
重新參照第1圖，穿過狹縫光圈44之第一透射光24P藉由中繼光學系統50的第一光學元件52A被聚焦於中間焦點平面IFP上之第二光圈裝置60。中間焦點平面IFP之直角坐標為x’及y’ 座標，用以區分第一光圈裝置40之(x,y)座標。此聚焦產生第二強度分布I’(x’,y’)，此由物件平面OP上強度分布I(x,y) 之一維傅立葉轉換（於x’方向）所界定。
物件平面OP上強度分布I(x,y) 可被定義為（設(d1)/2 = a）： I(x) = G(x)∙rect(x/a) 其中 rect(x/a) 於 |x| ＞ a時，係為0；於x = a時，係為½；且於|x| ＜ a時，係為1，且G(x) = exp(-x2 )。因此，可得I’(x’)如： I’(x’) = F{ I(x) } = F{ rect(x/a)∙ exp(-x2 ) } =  [ a∙sinc (x’∙a/2) ] ¤ [ (π)1/2 exp{-π2 x’2 } ] exp{-π2 x’2 } ]，其中符號¤表示捲積運算。
第3A圖為第一透射光24P於第二光圈裝置60對x’(mm)之強度分布I’(x’)曲線圖。第3B圖為第1圖之第二光圈裝置60，由+z方向所視之前視圖。參照第3B圖，刀片62被設置使第一透射光24P入射至第二光圈裝置60之部分24P’ 穿過狹縫光圈64，而第一透射光24P之各剔除部24B’則被刀片62所遮擋。穿過狹縫光圈64之部分被用24P'表示，以下也被稱為「第二透射光」。藉由中繼光學系統50之下游，第二透射光 24P’可用於形成線影像80。
第3A圖顯示之細節係關於刀片62可被置放以具有可擇寬度d2而通過第二透射光24P’所選擇的量。強度分布I’(x’) 顯示其具有一被一些較小的峰所包圍之一高中央峰P0，且該較小峰的尺寸自強度分佈之中心而減小。於中央峰P0任一側之第一峰以P1表示，且定義為極大值MX，其被第一極小值m1及第二極小值（最小）m2所包圍。在一示例中，狹縫光圈64定義為具有寬度d2，其中刀片62之各邊緣63位於對應之第一側峰P1之範圍內，使狹縫光圈64透射至少第一透射光24P之部分24P’，其與第一側峰P1相關聯。
在另一示例中，第二光圈裝置60被設置致使刀片62之邊緣63位在對應之第一側峰P1之範圍內，介於極大值MX與第二極小值m2之間。例如，假設於x軸正方之x-值定義為xMX 之值為極大值MX，xm2 之值為第二極小值m2，且刀片邊緣63的x位置定義為x63 ，則正方向刀片62的邊緣63之位置條件可表示為xMX ≤ x63 ≤ xm2 。負方向刀片邊緣63之對應條件可表示為-xm2 ≤ -x63 ≤- xMX 。此空間篩選條件已被證實可提供形成線影像80之最佳結果，具有可接受之強度非均勻性，如量測於長維度方向之整個線長L，在+/- 5%之內。
在一示例中，第一透射光24P在中間焦點平面IFP被第二光圈裝置60所遮擋的量大約為5%至8%，致使大約95%至92%之第一透射光24P被透射以形成第二透射光24P’。這使得相對於提供至物件平面OP之輸入功率或強度，該中繼光學系統50於影像平面IP形成線影像80之效率得以高達約75%，相較於先前技術僅約15%之效率。
再者，在一示例中，線影像80於長維度方向（即，x方向）的強度均勻性可在長維度方向之整個線長L滿足+/- 5% 之容限，而在另一示例中可滿足+/- 2%之容限。
利用第二透射光24P’ 於影像平面IP形成線影像80。該第二透射光24P’在x方向定義為強度修截形式I’(x’)，且可被表示如下： I’(x’) = F{ I(x) }∙rect(x’/b), where b = (d2)/2   = [ a∙sinc (x’∙a/2) ] ¤ [ (π)1/2 exp{-π2 x’2 } ]∙ rect(x’/b) 該線影像80之強度分佈IL(x)即為I’(x’)之一維反傅立葉轉換，即     IL(x) = F-1 { I’(x’) }.
由第3A圖，可看出第二光圈裝置60以上述I’(x’)表示式定義一維「rect」函數，且用以去除沿x’軸所選擇之高階空間頻率成分。由於需要這些高階空間頻率成分以形成具高解析度的線影像，此線影像包含了輸入（已調節）雷射光束24於第一光圈裝置40之強度變化；而藉由第二光圈裝置60之篩選可消除在線影像80長方向上的強度變化。另一方面，由於這些高階空間頻率成分具有相當低的強度，大部分第一透射光24P可穿過狹縫光圈64而形成第二透射光24P’。
第4A圖為於影像平面IP沿線影像80長度方向相對x(mm) 之強度分布IL(x)曲線圖，且藉由示例顯示由系統10所形成之兩種不同線尺寸L=10mm（實線）及L=7.5mm（虛線）。在一示例中，該線影像80之長度L可在5 mm ≤ L ≤ 100 mm之範圍中。
第4B圖係為強度分布IL(y) 相對y(μm) 之曲線圖，且顯示線影像80於短方向（即y方向）上的強度分布 IL(y) 具高斯形，其定義約為75μm之示例寬度w。在一示例實施例中，寬度w可在25μm ≤ w ≤ 1000μm，25μm ≤ w ≤ 500μm，或25μm ≤ w ≤ 250μm之範圍中。如上所述，在一示例中，寬度w可由光束調節光學系統30界定而使得中繼光學系統50於y-z平面上為柱形的，且不具屈光力。
值得注意的是，線影像80於短維度方向的強度分布IL(y)不需滿足和沿長維度方向相同的強度分布IL(x)均勻性容限，因為線影像80掃描是沿短邊方向，即y方向。在此情況下，於y方向的強度變化在掃描過程中即可被平均化。在第4B圖的強度分布IL(y) 曲線圖中，線影像80沿y方向約有±10%的強度變化。
反射中繼光學系統
第5圖為一示例系統10之示意圖，該系統包含一反射中繼光學系統50及一折鏡光學系統90，折鏡光學系統90被用於將線影像80導向至安置於影像平面IP之晶圓W之表面WS。該反射中繼光學系統50包含以配置為離軸組態之凹面鏡所形成之第一光學元件52A及第二光學元件52B。該中繼光學系統50亦包含折鏡F1、F2、F3，藉以轉折（fold）一穿越於物件平面OP之第一光圈裝置40之第一透射光24P之光學路徑。該折鏡F2係設置於第二光圈裝置60後，使得第一透射光24P入射於第二光圈裝置60後，僅有該第一透射光24P之中心部分24P’被折鏡F2反射，而行進於中繼光學系統50之其餘部分。因此，一示例之中繼光學系統50主要由反射光學元件構成，即不含折射光學元件。當雷射光源20操作於紅外線波長時，例如為波長標稱值 10.6 μm之CO2 雷射光源，此組態係較為理想的。
此第二透射光24P’被折鏡F3反射，並被導向至第二光學元件52B，其將第二透射光24P’導向至包含至少一折鏡F4之折鏡光學系統90。在一示例中，折鏡光學系統90被配置使能補償不為平行之物件平面OP及影像平面IP，致使線影像80可適當地成像於晶圓W之表面WS上。
雷射退火系統
第6圖為包含此文所揭露之線形成光學系統10之一示例雷射退火系統100之示意圖。線形成光學系統10所適用之示例雷射退火系統記載於，例如，美國專利號7,612,372、7,514,305、7,494,942、7,399,945、7,154,066、6,747,245及6,366,308之專利文獻中。
第6圖之雷射退火系統100包含如前述之沿光軸A1之線形成光學系統10，其中由雷射光源20（也參見第1圖）發射之初始雷射光束22具有一波長（例如，波長標稱值為10.6 μm之CO2 雷射），在選擇條件下，此波長可被晶圓W吸收，且能將晶圓W加熱。如此之選擇條件包含，舉例來說，加熱晶圓W，或以具帶隙能量大於晶圓W之半導體帶隙能量之第二照射光束（圖未示）照射晶圓W，進而使晶圓W吸收初始光束22至足以將晶圓W加熱至退火溫度之程度。以第二雷射光源照射該晶圓W，使晶圓W可吸收初始光束22之一示例係記載於美國專利號7,098,155、7,148,159及7,482,254之專利文獻中。
該晶圓W係由具上表面112之卡盤110所支撐。在一示例中，卡盤110係被配置以加熱晶圓W。卡盤110係依次由載台120所支撐，載台120係再依次由平臺130所支撐（圖未示）。在一示例之實施例中，卡盤110係結合於載台120。在另一示例之實施例中，載台120係為可移動式，包含可平移及可旋轉。在一示例中，卡盤110係用於預熱晶圓W，例如，至數百C∘左右。
以示例所顯示之晶圓W如具有以源極區150S及汲極區150D為形式之元件特徵DF，源極區150S及汲極區150D形成於或接近於晶圓W之表面WS，為形成於晶圓W中之電路元件156（例如，電晶體）的一部分。值得注意的是，與晶圓W相比，電路元件156中源極區150S及汲極區150D之相對尺寸，為易於說明，係被誇張表示。實際上，源極區150S及汲極區150D之深度非常淺，在基板表面之深度約為1微米或更少。在一示例中，晶圓W之該表面WS包含了圖案，用於定義形成於晶圓W的元件結構，此為部分之元件製造過程。該圖案會產生前免所提到會導致溫度的不均勻之不良圖案效應，當照射晶圓W之表面WS的光之波長λ小於所述圖案之尺寸δ，約50倍時。
一示例之實施例中，該雷射退火系統100亦包含一以電性連接於系統10及於載台控制器122之控制器170。載台控制器122被電性耦接至載台120，且被配置藉由來自控制器170之指令以控制載台120之移動。控制器170係通常被配置並耦接以控制雷射退火系統100之操作，特別是控制雷射光源20及該載台控制器122。
在一示例之實施例中，控制器170係為或包含一電腦，例如，個人電腦或工作站，得為一些知名電腦廠商之任一，例如Dell Computer, Inc., of Austin Tex。控制器170最好能包含任意一些商業可得的微控制器，以合適的匯流排架構將處理器連接至記憶體裝置，例如，硬碟機及適合的輸入及輸出裝置（例如，分別為鍵盤和顯示器）。
繼續參考第6圖，如上述所產生之第二透射光24P’係被導向至晶圓W之表面WS上，以在其上形成線影像80。須注意的是，用於此文之「影像」一詞通常是表示於影像平面IP及在該平面之晶圓W之表面WS，由第二透射光24P’所形成光之分布。
在一示例之實施例中，線影像80被掃描過晶圓W的表面WS，如箭號180所示，導致晶圓W的表面WS（自表面之深度大約1微米或更少）局部地快速加熱至一退火溫度（例如，就非熔化製程而言，介於1000 °C及1,300 °C之間；就熔化製程而言，超越約為1400 °C的矽熔點，），其足以活化源極區150S及汲極區150D中之摻質，同時亦讓晶圓W的表面WS快速冷卻，使得摻質不會大為擴散，進而能維持源極區150S及汲極區150D之淺度。晶圓W的表面WS之總體摻質活化亦可利用雷射退火系統100來執行。線影像80於晶圓W的表面WS之典型的掃描速度之範圍可從 25mm/sec至 1000mm/sec。在一示例中，第二透射光24P’ 及晶圓W之一者或二者，可在掃描過程中移動。
因為該線形成光學系統10可形成相當長之線影像80，並具有相當大功率密度，所以相較先前之線形成光學系統所能提供的掃描速度，該晶圓W可被更快速地掃描過（例如，可快至3倍，或能有3倍長的生產線進而有3倍生產率之提升），進而增加每單位小時可被雷射退火系統100處理的晶圓W之數量。
缺陷及尖峰退火之系統與方法
本發明所揭露之概念係包含使用本文所揭露之系統10以執行缺陷退火、或缺陷退火極尖峰退火之系統與方法。第7圖和第6圖類似，係揭露另一雷射退火系統100之實施例，其包含了如本文所揭露之用於執行缺陷退火之該基於CO2 雷射之線形成光學系統10，也包含用於執行尖峰退火之一基於二極體之線形成光學系統200。該基於二極體之線形成光學系統200可操作地被連接至控制器170，也包含一雷射二極體光源220，其發射一波長為λ2 的光束222。該基於二極體之線形成光學系統200也包含線形成光學元件223，其被設置以接收光束222並形成光束224，其沿著光軸A2行進，並於晶圓W的表面WS形成一線影像280。在一示例中，波長λ2 是在可見光和近紅外光之範圍內，例如，380 nm ≤ λ2 ≤ 1000 nm，而在另一示例中，則僅在可見光之範圍內，例如，500 nm ≤ λ2 ≤ 900 nm。該線形成光學元件223可包含一個或多個光學組成元件，其可以是折射型、反射型、或繞射型等等。在一示例中，該線形成光學元件223是歪像的，而在另一示例中，則是或包含一柱形光學系統。在一示例中，該線影像280在整體長度上具有在 +/- 5% 內之強度均勻性。
在一示例中，該線影像280與該線影像80重疊，如第7圖所示，也如第8A圖的特寫圖所顯示。在另一示例中，該線影像280剛好完全落於線影像80內，如第8B圖所示。在另一示例中，該線影像280大部分落於由基於CO2雷射之線形成光學系統10所形成的線影像80內，而該線影像280有些部分落於線影像80的外面，如第8C圖所示。在一示例中，該線影像280 基本上比該線影像80窄，且在另一示例中具有之寬度範圍從25微米至250微米，或從50微米至150微米。在一示例中，該線影像280之寬度為線影像80寬度之5％ 至25％。在一示例中，該線影像80與該線影像280具有大約相同的長度，其在一示例中之範圍為5毫米至100毫米。在一示例中，該線影像80之寬度為約1毫米，而該線影像280之寬度在50微米至150微米之範圍內。在一示例中，該線影像80與280至少部分重疊。
在一示例中，該第二透射光24P' 透過線影像80傳輸介於2000 W和3000之間的光功率至晶圓W的表面WS。如上所述，該線影像80可具有高達1毫米的寬度。在第7圖之示例中，該第二透射光24P' 與該線影像80被用於執行缺陷退火，其藉由將該線影像80 掃描過晶圓W的表面WS以局部將晶圓W的表面WS之溫度提高至一個缺陷退火溫度TD ，其在一示例中為1050°C。實務上，缺陷退火溫度TD 與退火之持續時間有關，即該線影像80之駐留時間。通常，較長的缺陷退火時間所需之溫度較低。在一示例中，該缺陷退火時間tD 之範圍可從2毫秒至15毫秒；在一示例中， tD = 2毫秒時，其所對應之缺陷退火溫度TD 之範圍約1000°C 至1150°C，而在tD = 15毫秒時，範圍則從700 °C 至1000°C。在一示例中，該退火溫度TD 之範圍為 650°C ≤ TD ≤ 1100°C。
由基於二極體之線形成光學系統200所出之該光束224和該線影像280被用於執行晶圓W之尖峰退火。在一示例中，該雷射二極體光源220產生一相當小之光功率，例如，300 W至500 W。需如此少二極體雷射功率有主要二個原因。第一個原因是，從缺陷退火溫度TD 至尖峰退火（或摻質活化）溫度TA 之溫度跳升小，例如，數百度攝氏°C。第二個原因是，二極體雷射之可見波長λ2與CO2 雷射之紅外線波長λ1的吸收長度相比，通常短100倍。因此，光功率輸出顯著較小的雷射可用於雷射尖峰退火，相較於傳統方法中，CO2 雷射被用於執行雷射尖峰退火。因為所使用之二極體雷射功率遠比傳統方法中所用的少，因此，損壞晶圓W邊緣的風險大為降低。傳統方法中，需由該光束224和該線影像280傳輸2〜3 kW之雷射二極體功率。使用本文所揭露之系統與方法，僅需約200至500 W之二極體雷射功率，係取決於將溫度自缺陷退火溫度TD 提高至尖峰退火（或摻質活化）溫度TA 所需之熱能與該線影像280之尺寸及掃描速度。
在一示例中，該線影像280具有沿掃描方向介於50至150微米之寬度。在一示例中，基於二極體之線形成光學系統200是使用光纖的，例如，在記載於上述之美國專利申請序列號14/497,006中。
該基於二極體之線形成光學系統200被設置以使該線影像280至少部分與該線影像80重疊，如下所述。由該光束224和該線影像280所提供之光功率係用於將晶圓W的表面WS之溫度，從缺陷退火溫度TD（例如，約1050°C）局部地提升至一個尖峰退火（或摻質活化）溫度TA，其在一示例中約為1150°C至 1350°C。
因使用具波長為λ2之光束224提升溫度數百度左右，故因圖案效應而造之圖案溫度不均勻約可至20％（例如，約至60°C）。此不均勻量相較於先前技術有顯著的改進；先前技術中，來自圖案效應之溫度不均勻可大至160°C。因此，該雷射退火系統100和使用該雷射退火系統100之退火方法可於尖峰退火期間改善溫度均勻性。在一示例中，這種改善可約25％或更多，例如，介於約25％和40％之間。通常使用該線影像280以執行尖峰退火之駐留時間可從200微秒至800微秒。該線影像280之寬度決定了掃描速度（例如，載台速度）。
如上所述，以可見波長λ2執行尖峰退火時之一額外好處是，在一示例中，光束224於掃描期間照射晶圓W的邊，其所具有之功率相當低，因此大為降低損壞晶圓W的機率，且尤其能降低晶圓斷裂的機會。
任何於此技術領域中具有通常知識者都很清楚，是可對本文所揭露發明之優選實施例進行各種修改，而無悖離本發明如所附專利申請範圍所界定之精神或範圍。因此，只要這些修改與變化是在所附之專利申請範圍及與其同等之範圍內，本發明也將涵蓋這些修改與變化。
10‧‧‧線成形光學系統
20‧‧‧雷射光源
22‧‧‧初始雷射光束
24‧‧‧已調節雷射光束
24B‧‧‧剔除部
24B’‧‧‧剔除部
24P‧‧‧第一透射光
24P’‧‧‧第二透射光
30‧‧‧光束調節光學系統
35‧‧‧雷射光源系統
40‧‧‧第一光圈裝置
42‧‧‧刀片
43‧‧‧邊緣
44‧‧‧狹縫光圈
50‧‧‧中繼光學系統
52A‧‧‧第一光學元件
52B‧‧‧第二光學元件
60‧‧‧第二光圈裝置
62‧‧‧刀片
63‧‧‧邊緣
64‧‧‧狹縫光圈
80‧‧‧線影像
90‧‧‧折鏡光學系統
100‧‧‧雷射退火系統
110‧‧‧卡盤
112‧‧‧上表面
120‧‧‧載台
122‧‧‧載台控制器
150S‧‧‧源極區
150D‧‧‧汲極區
156‧‧‧電路元件
170‧‧‧控制器
180‧‧‧箭號
200‧‧‧二極體之線形成光學系統200
220‧‧‧雷射二極體光源
222‧‧‧光束
223‧‧‧線形成光學元件
224‧‧‧光束
280‧‧‧線影像
A1‧‧‧光軸
A2‧‧‧光軸
d1、d2‧‧‧寬度
DF‧‧‧元件特徵
F1、F2‧‧‧折鏡
F3、F4‧‧‧折鏡
IP‧‧‧影像平面
IFP‧‧‧中間焦平面
IN1、IN2、IN3‧‧‧特寫插圖
L‧‧‧長度
MX‧‧‧極大值
m1‧‧‧第一極小值
m2‧‧‧第二極小值
OP‧‧‧物件平面
P0‧‧‧中央峰
P1‧‧‧第一側峰
W‧‧‧晶圓
WS‧‧‧晶圓的表面
w、w1‧‧‧寬度
隨附之圖件被包含以提供進一步瞭解，並被併入且構成本說明書之一部分。所附之圖件說明了一或多個實施例，且與「實施方式」一同解釋各實施例之原理與操作。 因此，從下述之「實施方式」，並配合隨附圖式，本發明內容將更能被充分瞭解，其中： [第1圖] 為根據本發明內容之一示例線形成光學系統之示意圖； [第2A圖] 為第1圖之示例線形成光學系統之第一光圈裝置，如由+ z 方向所視之前視圖，且其顯示當入射第一光圈裝置時，一已調節雷射光束接近零強度的輪廓線  (I(x,y) ≈ 0)； [第2B圖] 為已調節雷射光束相對x（mm）之強度I(x)曲線圖，且顯示第一光圈裝置面相對之第一刀片相對於已調節雷射光束的位置； [第3A圖] 為於第二光圈裝置之第一透射光相對x’ (mm) 之強度分佈I’(x’) 曲線圖，且顯示第二光圈裝置面相對之第二光圈刀片相對於強度分佈的示例位置； [第3B圖] 為第3A圖之第二光圈前視圖，其由第1圖+ z 方向所視，且第一透射光入射其上； [第4A圖] 為藉由第二透射光於影像平面所形成之線影像，於長度方向相對x (mm) 之強度分佈線IL(x) 曲線圖，且顯示由第1圖之線形成光學系統所形成之兩種不同示例線尺寸，L =  10 mm（實線）和L = 7. 5 mm（虛線）； [第4B圖] 為線影像相對於y (μm) 之強度分佈IL(y) 曲線圖，且顯示線影像於短方向（即y方向）之強度分佈具高斯形，其界定約75μm之示例寬度w； [第5圖] 為一示例線形成光學系統之示意圖，該系統包括反射中繼光學系統；和 [第6圖] 為一示例雷射退火系統之示意圖，該系統包括本文所揭露第1圖之線形成光學系統； [第7圖] 和第6圖類似，且說明一雷射退火系統之一示例，該系統可用於執行缺陷退火與尖峰退火； [第8A至8C圖] 為線影像之特寫圖，以說明在晶圓導體表面上二線影像不同相對位置之示例，該線影像係由一基於CO2 之線形成光學系統與一基於二極體之線形成光學系統所形成的。
10‧‧‧線形成光學系統(簡稱「系統」)
20‧‧‧雷射光源
22‧‧‧初始雷射光束
24‧‧‧已調節雷射光束
24P‧‧‧第一透射光
24P’‧‧‧第二透射光
30‧‧‧光束調節光學系統
35‧‧‧雷射光源系統
40‧‧‧第一光圈裝置
42‧‧‧刀片
43‧‧‧邊緣
44‧‧‧狹縫光圈
50‧‧‧中繼光學系統
52A‧‧‧第一光學元件
52B‧‧‧第二光學元件
60‧‧‧第二光圈裝置
62‧‧‧刀片
63‧‧‧邊緣
64‧‧‧狹縫光圈
80‧‧‧線影像
A1‧‧‧光軸
d1、d2‧‧‧寬度
IN1、IN2、IN3‧‧‧特寫插圖
IP‧‧‧影像平面
IFP‧‧‧中間焦平面
L‧‧‧長度
OP‧‧‧物件平面
w‧‧‧寬度

Claims (23)

  1. 一種在一半導體晶圓之一缺陷退火溫度TD 之下執行缺陷退火之一方法，該半導體晶圓具有一表面，該表面包含一圖案，該方法包含： 從一CO2 雷射形成一光束，該光束具有10.6微米之一波長標稱值與一第一強度分佈，該第一強度分佈在至少一第一方向具有高斯分佈； 於該第一方向通過至少50％之該光束以形成一第一透射光； 聚焦該第一透射光於一中間焦平面以定義一第二強度分佈，該第二強度分佈具有一中央峰及緊鄰該中央峰之複數第一側峰； 在每一該第一側峰內修截該第二強度分佈以定義一第二透射光，該第二透射光在該半導體晶圓之該表面上形成一第一線影像，該第一線影像具有 2000 W 至 3000 W 之範圍間的光功率，且沿範圍從 5 毫米至 100 毫米內之一第一線長度，具有 +/-5％內之一強度均勻度；及 於該半導體晶圓之該表面掃描該第一線影像，以局部地將該半導體晶圓之該表面的溫度提高至該缺陷退火溫度TD 。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該缺陷退火溫度TD 係在650 °C  ≤ TD ≤ 1100 °C 之範圍間。
  3. 如請求項1或2所述之方法，更包含在一尖峰退火溫度TA 下執行尖峰退火，該尖峰退火包含： 使用具有一可見波長之一第二光束在該半導體晶圓之該表面形成一第二線影像，其中該第二線影像至少部分重疊於該第一線影像；及 掃描該第二線影像以局部地將該半導體晶圓之該表面的溫度從該缺陷退火溫度 TD 提高至該尖峰退火溫度 TA 。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該尖峰退火溫度TA 係在1150°C ≤ TA ≤1350°C 之範圍間。
  5. 如請求項3所述之方法，其中該第一線影像具有一第一寬度，且該第二線影像具有一第二寬度，該第二寬度係在該第一寬度之5％ 至25％之範圍間。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該第一寬度係在25微米至1毫米之範圍間。
  7. 如請求項3所述之方法，更包含使用一雷射二極體光源以及與該雷射二極體光源可操作地相對設置之一線形成光學元件以形成該第二光束。
  8. 如請求項3所述之方法，其中該可見波長係在 500 nm 至 1000 nm之範圍間。
  9. 如請求項3所述之方法，其中，該第二線影像具有在 5 mm 至 100 mm之範圍間之一第二線長度，以及具有在 +/-5％ 內之一強度均勻度。
  10. 如請求項3所述之方法，其中該半導體晶圓之該表面的溫度與該尖峰退火溫度TA 之間具有源自於圖案效應之一差異，且該差異不超過60°C。
  11. 一種執行一半導體晶圓之缺陷退火之一系統，該半導體晶圓具有一表面，該表面具有一圖案，該系統包含： 一CO2 雷射光源，發射具有一波長標稱值 10.6微米之一初始光束； 一光束調節光學系統，接收該初始光束從而形成一已調節光束，該已調節光束具有至少在一第一方向有高斯分佈之一第一強度分佈； 一第一光圈裝置，可操作地設置於一物件平面，定義一第一狹縫光圈，該第一狹縫光圈修截於該第一方向之該第一強度分佈，以定義至少由50％之該已調節光束所構成之一第一透射光； 一中繼光學系統，定義該物件平面也定義一中間焦平面，一第二光圈裝置可操作地設置於該中間焦平面，該中繼光學系統定義一第二強度分佈於該中間焦平面，該第二強度分布具有一中央峰及緊鄰該中央峰之複數第一側峰，其中該第二光圈裝置被配置以沿該第一方向以及在每一該第一側峰內修截該第二強度分佈以定義一第二透射光； 其中，該中繼光學系統自該第二透射光而在該半導體晶圓之該表面形成一第一線影像，其中該第一線影像包含 2000 W 至 3000 W之範圍間之光功率，具有 5 mm至100 mm之範圍間之一第一長度，且具有在 +/- 5% 內之一強度均勻度； 一卡盤，可操作地支撐該半導體晶圓；及 一可移動之晶圓載台，可操作地支撐該卡盤，設置以移動該卡盤與被支撐於該卡盤上之該半導體晶圓，使得該第一線影像可在該半導體晶圓之該表面上掃描，以局部地將該半導體晶圓之該表面的溫度提高至一缺陷退火溫度TD 。
  12. 如請求項11所述之系統，其中該缺陷退火溫度TD 係在650°C至1100°C之範圍間。
  13. 如請求項11所述之系統，其中該卡盤被加熱，使其可預熱該半導體晶圓。
  14. 如請求項11所述之系統，更包含一基於二極體之線形成光學系統，其產生一可見光束，該可見光束在該半導體晶圓之該表面上形成一第二線影像，該第二線影像至少部分地重疊於該第一線影像且與該第一線影像一同掃描，以局部地將該半導體晶圓之該表面的溫度從該缺陷退火溫度TD 提高至一尖峰退火溫度 TA ，且其中該第二線影像具有在 +/- 5% 內之一強度變化。
  15. 如請求項14所述之系統，其中該尖峰退火溫度 TA 係在 1150°C 至 1350 °C 之範圍間。
  16. 如請求項14所述之系統，其中該第一線影像與該第二線影像各自具有一第一寬度與一第二寬度，該第二寬度係在該第一寬度之5％ 至25％之範圍間。
  17. 如請求項11所述之系統，其中每一該第一側峰係由一極大值 MX、一第一極小值 m1、與一第二極小值 m2 所定義，該第二光圈裝置係設置以於每一該第一側峰之該極大值MX和該第二極小值m2之間修截該第二強度分佈。
  18. 如請求項11所述之系統，其中該中繼光學系統在該第一方向上具有 1 倍之放大率。
  19. 如請求項18所述之系統，其中該中繼光學系統係為一柱形光學系統，該柱形光學系統僅在該第一方向上有光功率。
  20. 如請求項11所述之系統，其中該中繼光學系統僅由反射光學元件所構成。
  21. 如請求項11所述之系統，其中該第一光圈裝置包含可操作地設置於該物件平面之一對刀片。
  22. 如請求項11所述之系統，其中該第二光圈裝置包含可操作地設置於該中間焦平面之一對刀片。
  23. 如請求項14所述之系統，其中該基於二極體之線形成光學系統包含一雷射二極體光源以及與該雷射二極體光源相對配置之線形成光學元件。
TW104136768A 2014-11-24 2015-11-06 用於缺陷退火與摻質活化之高效率線形成光學系統及方法 TWI557780B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462083537P 2014-11-24 2014-11-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201620021A TW201620021A (zh) 2016-06-01
TWI557780B true TWI557780B (zh) 2016-11-11

Family

ID=56010923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104136768A TWI557780B (zh) 2014-11-24 2015-11-06 用於缺陷退火與摻質活化之高效率線形成光學系統及方法

Country Status (5)

Country Link
US (2) US9613815B2 (zh)
JP (1) JP6231535B2 (zh)
KR (1) KR102400217B1 (zh)
CN (1) CN105632904A (zh)
TW (1) TWI557780B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150102180A (ko) * 2014-02-27 2015-09-07 삼성디스플레이 주식회사 레이저 빔 조사 장치 및 이를 이용한 유기 발광 디스플레이 장치의 제조 방법
JP6193305B2 (ja) * 2014-07-29 2017-09-06 ウルトラテック インク 高性能線形成光学システム及び方法
SG10201605683WA (en) * 2015-07-22 2017-02-27 Ultratech Inc High-efficiency line-forming optical systems and methods using a serrated spatial filter
CN107665821B (zh) * 2016-07-29 2021-10-01 上海微电子装备（集团）股份有限公司 一种激光退火装置及方法
JP6860429B2 (ja) * 2017-06-07 2021-04-14 株式会社ディスコ レーザ加工方法及びレーザ加工装置
KR20210032139A (ko) 2019-09-16 2021-03-24 삼성전자주식회사 반도체 제조 장치
CN112435920B (zh) * 2020-11-05 2024-02-23 北京华卓精科科技股份有限公司 一种长波长激光退火方法及装置
CN114839785B (zh) * 2022-04-25 2023-04-07 燕山大学 基于光阑的电控光斑整形和功率调节装置、系统及方法
KR102573861B1 (ko) 2022-06-27 2023-09-04 한국화학연구원 옵티컬 솔더링을 이용한 결함 구조에서 이차원 박막 반도체 물질의 광특성 생성 및 제어하는 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5960323A (en) * 1996-06-20 1999-09-28 Sanyo Electric Co., Ltd. Laser anneal method for a semiconductor device
US20040235281A1 (en) * 2003-04-25 2004-11-25 Downey Daniel F. Apparatus and methods for junction formation using optical illumination
US7026229B2 (en) * 2001-11-28 2006-04-11 Vartan Semiconductor Equipment Associates, Inc. Athermal annealing with rapid thermal annealing system and method
US7256112B2 (en) * 2005-01-20 2007-08-14 Chartered Semiconductor Manufacturing, Ltd Laser activation of implanted contact plug for memory bitline fabrication
US7700382B2 (en) * 2003-09-24 2010-04-20 Panasonic Corporation Impurity introducing method using optical characteristics to determine annealing conditions

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3476463A (en) 1965-05-11 1969-11-04 Perkin Elmer Corp Coherent light optical system yielding an output beam of desired intensity distribution at a desired equiphase surface
US3980397A (en) 1973-09-17 1976-09-14 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration Diffraction smoothing aperture for an optical beam
US4158176A (en) 1977-09-06 1979-06-12 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Spatial filter system as an optical relay line
CA1251624A (en) 1983-08-01 1989-03-28 Ronald A. Ferrante Gaussian laser beam filter
EP0269122B2 (en) 1986-11-28 1999-08-11 Fuji Photo Film Co., Ltd. Laser optical system
JPH0727129B2 (ja) * 1986-11-28 1995-03-29 富士写真フイルム株式会社 レ−ザ光学系
US5116110A (en) 1989-03-03 1992-05-26 Greyhawk Systems, Inc. Partially coherent optical system with scattering type object
US5048939A (en) * 1989-04-21 1991-09-17 Hitachi, Ltd. Zoom lens system
US5048938A (en) 1990-06-08 1991-09-17 United Technologies Corporation Monolithic laser spatial filter
US5331466A (en) 1991-04-23 1994-07-19 Lions Eye Institute Of Western Australia Inc. Method and apparatus for homogenizing a collimated light beam
JPH06234092A (ja) 1993-02-12 1994-08-23 Nikon Corp レーザー加工装置
JPH07185863A (ja) 1993-12-28 1995-07-25 Nikon Corp レーザ加工装置
JPH08125258A (ja) 1994-10-28 1996-05-17 Laser Noshuku Gijutsu Kenkyu Kumiai 色素レーザ整形方法及びこれを適用した色素レーザ発振装置
US5768017A (en) 1994-10-31 1998-06-16 International Business Machines Corporation Optical system for producing uniform line illumination
JPH10244392A (ja) 1997-03-04 1998-09-14 Semiconductor Energy Lab Co Ltd レーザー照射装置
DE19915000C2 (de) 1999-04-01 2002-05-08 Microlas Lasersystem Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Steuern der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls
JP2002141301A (ja) 2000-11-02 2002-05-17 Mitsubishi Electric Corp レーザアニーリング用光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置
US7119330B2 (en) * 2002-03-08 2006-10-10 Varian Australia Pty Ltd Plasma mass spectrometer
US6987240B2 (en) 2002-04-18 2006-01-17 Applied Materials, Inc. Thermal flux processing by scanning
US7148159B2 (en) 2003-09-29 2006-12-12 Ultratech, Inc. Laser thermal annealing of lightly doped silicon substrates
US7110171B2 (en) 2003-10-30 2006-09-19 Metal Improvement Company, Llc Relay telescope including baffle, and high power laser amplifier utilizing the same
US7199330B2 (en) 2004-01-20 2007-04-03 Coherent, Inc. Systems and methods for forming a laser beam having a flat top
WO2005118440A1 (de) * 2004-06-03 2005-12-15 Unaxis Balzers Aktiengesellschaft Tisch zur aufnahme eines werkstücks sowie verfahren zur bearbeitung eines werkstücks auf einem solchen
US7482254B2 (en) 2005-09-26 2009-01-27 Ultratech, Inc. Apparatus and methods for thermally processing undoped and lightly doped substrates without pre-heating
JP4826558B2 (ja) 2007-07-30 2011-11-30 ソニー株式会社 レーザー装置
US20100084744A1 (en) * 2008-10-06 2010-04-08 Zafiropoulo Arthur W Thermal processing of substrates with pre- and post-spike temperature control
US8320056B2 (en) * 2009-08-20 2012-11-27 Lawrence Livermore National Security, Llc Spatial filters for high average power lasers
US8014427B1 (en) * 2010-05-11 2011-09-06 Ultratech, Inc. Line imaging systems and methods for laser annealing
US8309474B1 (en) * 2011-06-07 2012-11-13 Ultratech, Inc. Ultrafast laser annealing with reduced pattern density effects in integrated circuit fabrication
US8546805B2 (en) * 2012-01-27 2013-10-01 Ultratech, Inc. Two-beam laser annealing with improved temperature performance
SG195515A1 (en) * 2012-06-11 2013-12-30 Ultratech Inc Laser annealing systems and methods with ultra-short dwell times
US8785815B2 (en) 2012-06-22 2014-07-22 Applied Materials, Inc. Aperture control of thermal processing radiation
JP6193305B2 (ja) * 2014-07-29 2017-09-06 ウルトラテック インク 高性能線形成光学システム及び方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5960323A (en) * 1996-06-20 1999-09-28 Sanyo Electric Co., Ltd. Laser anneal method for a semiconductor device
US7026229B2 (en) * 2001-11-28 2006-04-11 Vartan Semiconductor Equipment Associates, Inc. Athermal annealing with rapid thermal annealing system and method
US20040235281A1 (en) * 2003-04-25 2004-11-25 Downey Daniel F. Apparatus and methods for junction formation using optical illumination
US7700382B2 (en) * 2003-09-24 2010-04-20 Panasonic Corporation Impurity introducing method using optical characteristics to determine annealing conditions
US7256112B2 (en) * 2005-01-20 2007-08-14 Chartered Semiconductor Manufacturing, Ltd Laser activation of implanted contact plug for memory bitline fabrication

Also Published As

Publication number Publication date
KR102400217B1 (ko) 2022-05-19
US20160148810A1 (en) 2016-05-26
US9613815B2 (en) 2017-04-04
JP2016105470A (ja) 2016-06-09
CN105632904A (zh) 2016-06-01
US9711361B2 (en) 2017-07-18
US20170162392A1 (en) 2017-06-08
JP6231535B2 (ja) 2017-11-15
TW201620021A (zh) 2016-06-01
KR20160061884A (ko) 2016-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI557780B (zh) 用於缺陷退火與摻質活化之高效率線形成光學系統及方法
TWI520454B (zh) 用於雷射退火之線成像系統與方法
TWI475601B (zh) 形成時間平均線影像之系統及方法
US7157660B2 (en) Laser scanning apparatus and methods for thermal processing
US11415809B2 (en) High-efficiency line-forming optical systems and methods using a serrated spatial filter
TWI595564B (zh) 具超短停留時間之雷射退火系統及方法
TWI572901B (zh) 高效率之線成形光學系統及方法
TWI517255B (zh) 應用於半導體晶圓之雷射退火之雙迴路控制
US9343307B2 (en) Laser spike annealing using fiber lasers
JP2005244191A (ja) 熱処理のためのレーザ走査装置および方法
KR101345070B1 (ko) 직접 방사 및 재순환된 방사를 이용한 기판 처리
JP2016513359A (ja) 半導体基板を通過する中赤外レーザ光の透過による熱処理

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees