TWI570781B - 使用微透鏡陣列而產生線路之光學設計 - Google Patents

使用微透鏡陣列而產生線路之光學設計 Download PDF

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Description

使用微透鏡陣列而產生線路之光學設計
本發明之實施例大體而言係關於半導體基板之熱處理。詳言之，本發明係關於半導體基板之雷射熱處理。
在形成於矽晶圓或諸如用於顯示之玻璃面板之其他基板中的矽及其他半導體積體電路之製造中需要熱處理。所需要溫度可在自小於250℃之相對低溫至大於1000℃、1200℃或甚至1400℃之範圍內，且可用於各種製程，諸如摻雜劑植入退火、結晶、氧化、氮化、矽化及化學氣相沉積以及其他製程。
對於進階積體電路所需要之極淺電路特徵，期望減少實現所需要熱處理之總熱預算。熱預算可認為是在實現期望處理溫度所必需之高溫下之總時間。晶圓需要在最高溫度下停留之時間可能極短。舉例而言，快速熱處理(Rapid thermal processing；RTP)使用輻射燈僅加熱晶圓而不 加熱腔室之其餘部分，該等輻射燈可很快開啟及關閉。使用極短(約20ns)雷射脈衝之脈衝雷射退火係對僅加熱表面層而不加熱下層晶圓有效，因此允許極短的斜升速率及斜降速率。
各種形式之新近開發的方法，有時稱為熱通量雷射退火或動態表面退火(dynamic surface annealing；DSA)，使用遞變光導管及變像成像光學器件來產生照在晶圓上之極強烈光束作為薄長線路之輻射。隨後在晶圓之表面上沿垂直於線路光束之長尺寸之方向掃描線路。然而，據報告，用來沿著慢軸(亦即，線路長度方向)將圖像均勻化且成比例縮放之光導管係易碎且難以製造，且易受與系統中其他光學器件之欠對準之影響。
因此，需要用於投射雷射線路圖像之更有效且更經濟的光學系統，該光學系統不太受對準錯誤之影響且不易碎。
本發明大體而言係關於半導體基板之熱處理。在一個實施例中，提供用於處理半導體基板之熱處理設備。設備包括：基板支撐件；雷射輻射源，該雷射輻射源沿著在雷射輻射源與基板支撐件之間的光學路徑發射雷射輻射；照明光學器件，該照明光學器件沿著光學路徑安置，該照明光學器 件包含慢軸透鏡集合及快軸透鏡集合，該慢軸透鏡集合具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡，該快軸透鏡集合具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡，該快軸透鏡集合係安置在該慢軸透鏡集合之第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間；均勻器，該均勻器沿著光學路徑安置在照明光學器件與基板支撐件之間用於使自雷射輻射源的雷射輻射均勻化，該均勻器包含柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列及柱狀透鏡之第二微光學微透鏡陣列，柱狀透鏡之第二微光學微透鏡陣列具有相對大於柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列之微透鏡間距的微透鏡間距。在一個實例中，第一微光學微透鏡陣列之微透鏡軸及第二微光學微透鏡陣列之微透鏡軸係沿著一軸定向，該軸平行於雷射輻射源之快軸。設備進一步包含複數個聚光透鏡，該複數個聚光透鏡沿著光學路徑安置在均勻器與基板支撐件之間，用於在基板之表面處聚焦線路圖像，該複數個聚光透鏡具有至少五個具有全球形表面的透鏡。
在另一實施例中，提供用於處理半導體基板之熱處理設備。設備包括：基板支撐件；雷射二極體桿陣列，該雷射二極體桿陣列在第一波長處發射雷射輻射，該雷射二極體桿陣列係佈置在沿著慢軸延伸之複數平行列內，該等列之雷射二極體桿係沿著快軸佈置在堆疊內，其中慢軸及快軸係與在 雷射二極體桿陣列與基板支撐件之間的光學路徑垂直；照明光學器件，該照明光學器件沿著光學路徑安置在雷射二極體桿陣列與基板支撐件之間，該照明光學器件包含偏振分光鏡、具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡之慢軸透鏡集合、具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡之快軸透鏡集合，該快軸透鏡集合係安置在該慢軸透鏡集合之第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間；二向分光鏡，該二向分光鏡安置在該快軸透鏡集合之下游且設置成將自加熱基板反射之第二波長及第三波長之雷射輻射重導引至高溫計；及波片，該波片安置在二向分光鏡之下游以將雷射輻射之偏振旋轉90度；均勻器，該均勻器沿著光學路徑安置在照明光學器件與基板支撐件之間，用於將雷射輻射沿著慢軸均勻化，該均勻器包含柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列及柱狀透鏡之第二微光學微透鏡陣列，柱狀透鏡之第二微光學微透鏡陣列具有相對大於柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列之微透鏡間距的微透鏡間距；及聚光透鏡集合，該聚光透鏡集合沿著光學路徑安置在均勻器與基板支撐件之間，用於在基板之表面聚焦線路圖像，該聚光透鏡集合具有至少五個具有全球形表面的透鏡。
在又一實施例中，提供用於處理半導體基板之熱處理設備。設備包括：基板支撐件；雷射 二極體桿陣列，該雷射二極體桿陣列佈置在沿著慢軸延伸之複數平行列內，該等列之雷射二極體桿係沿著快軸排列在堆疊內，慢軸係大體垂直於快軸；照明光學器件，該照明光學器件安置在雷射二極體桿陣列與基板支撐件之間，該照明光學器件包含慢軸透鏡集合及快軸透鏡集合，該慢軸透鏡集合具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡，該快軸透鏡集合具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡，該慢軸透鏡集合沿慢軸準直雷射束輻射，該快軸透鏡集合係安置在該慢軸透鏡集合之第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間以沿快軸準直雷射束輻射；及均勻器，該均勻器安置在照明光學器件與基板支撐件之間，用於使藉由照明光學器件沿著慢軸準直之雷射束輻射均勻化，該均勻器包含柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列及柱狀透鏡之第二微光學微透鏡陣列，該柱狀透鏡之第二微光學微透鏡陣列平行於柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列安置且與柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列間隔開，柱狀透鏡之第二微光學微透鏡陣列具有相對大於柱狀透鏡之第一微光學微透鏡陣列之微透鏡間距的微透鏡間距；及聚光透鏡集合，該聚光透鏡集合沿著光學路徑安置在均勻器與基板支撐件之間用於在基板之表面聚焦線路圖像，聚光透鏡集合具有至少五個具有全球形表面的透鏡。
2‧‧‧設備
10‧‧‧支架結構
12‧‧‧軌
14‧‧‧軌
16‧‧‧橫樑
18‧‧‧橫樑
20‧‧‧光束源
22‧‧‧晶圓
24‧‧‧光束
26‧‧‧線路束
200‧‧‧光學系統
202‧‧‧雷射二極體桿陣列
204‧‧‧照明光學器件
206‧‧‧均勻器
208‧‧‧傅立葉變換透鏡(或場透鏡)
210‧‧‧高溫計收集光學器件
302‧‧‧二極體桿
304‧‧‧堆疊
400‧‧‧照明光學器件
402‧‧‧偏振分光鏡
404‧‧‧高溫計二向分光鏡
406‧‧‧波片
408‧‧‧慢軸透鏡集合
408a‧‧‧柱狀透鏡
408b‧‧‧柱狀透鏡
410‧‧‧快軸透鏡集合
410a‧‧‧柱狀透鏡
410b‧‧‧柱狀透鏡
420‧‧‧凸透鏡表面
422‧‧‧凸透鏡表面
426‧‧‧凹透鏡表面
428‧‧‧凸透鏡表面
500‧‧‧微透鏡陣列均勻器
502‧‧‧預均勻化透鏡陣列
503‧‧‧柱狀透鏡
503a‧‧‧柱狀透鏡
503b‧‧‧柱狀透鏡
504‧‧‧最終均勻化透鏡陣列
505‧‧‧柱狀透鏡
506‧‧‧弱柱狀透鏡
510‧‧‧過渡區域
600‧‧‧聚光透鏡集合
602‧‧‧第一透鏡
604‧‧‧第二透鏡
606‧‧‧第三透鏡
608‧‧‧第四透鏡
610‧‧‧第五透鏡
612‧‧‧輸出窗口
614‧‧‧腔室窗口
700‧‧‧光學系統
702‧‧‧高溫計收集光學器件/高溫計
704‧‧‧高溫計收集光學器件/光學濾波器
706‧‧‧高溫計收集光學器件/稜鏡
708‧‧‧高溫計收集光學器件/透鏡
p‧‧‧桿間距
d‧‧‧堆疊間隔
H‧‧‧高度
W‧‧‧寬度
因此，可詳細理解本發明之上述特徵結構之方式，即上文簡要概述之本發明之更特定描述可參照實施例進行，某些實施例圖示於附加圖式中。然而，應注意，附加圖式僅圖示本發明之典型實施例，且因此不欲視為本發明範疇之限制，因為本發明可允許其他同等有效之實施例。
第1圖為根據本發明之一個實施例之熱通量雷射退火設備之示例性透視圖。
第2圖概念上圖示具有雷射二極體桿陣列及光學器件之光學系統，該等雷射二極體桿陣列及光學器件共同工作以產生且聚焦待導引至晶圓上之均勻分佈之雷射光。
第3圖圖示雷射二極體桿陣列之端平面圖。
第4A圖及第4B圖圖示經由示例性照明光學器件傳播之輸出光束之慢軸視圖及快軸視圖。
第5A圖圖示微透鏡陣列均勻器之慢軸視圖。
第5B圖圖示預均勻化透鏡陣列之一部分微透鏡陣列之慢軸特寫視圖。
第6A圖圖示經由示例性傅立葉變換透鏡傳播之雷射束之慢軸視圖。
第6B圖圖示傅立葉變換透鏡之在失真函數與正規化輻射強度I(θ)以及照射度函數H(y)之間的關係。
第7圖圖示根據本發明之一個實施例之光學系統之透鏡佈置之慢軸視圖，該光學系統包括雷射二極體桿陣列、照明光學器件、微透鏡陣列均勻器、傅立葉變換透鏡及高溫計收集光學器件。
第1圖為根據本發明之一個實施例之熱通量雷射退火設備之示例性透視圖。設備2大體包括用於二維掃描之支架結構10。支架結構10可包括一對固定平行軌12、14。將兩個平行支架橫樑16、18間隔設定距離固定在一起且支撐在固定軌12、14上，且藉由馬達(未圖示)及驅動機構(未圖示)控制兩個平行支架橫樑16、18以共同沿著固定軌12、14在滾輪或球軸承(未圖示)上滑動。光束源20係可滑動地支撐在支架橫樑16、18上，且可懸掛在橫樑16、18下方，光束源20係藉由未圖示之馬達及驅動機構控制以沿著支架橫樑16、18滑動。可將基板(例如，矽晶圓22)靜止地支撐下支架結構10下方。如下文將更詳細論述，光束源20大體包 括雷射光源及光學器件以產生光束24，該光束24照在晶圓22上作為線路束26，線路束26大體平行於固定軌12、14延伸，該方向在下文參考為慢方向(亦即，線路長度方向)。
儘管在此為未圖示，但支架結構10可進一步包括Z軸台用於沿大體平行於扇形光束24之方向移動雷射光源及光學器件，從而可控制地改變在光束源20與晶圓22之間的距離且因此控制線路束26在晶圓22上之聚焦。線路束26之示例性尺寸包括約5mm至約1cm之長度，例如約12mm，及約50μm至約90μm之寬度，例如約75μm，及220kW/cm2之示例性功率密度。或者，光束源及關聯之光學器件可為靜止的，而將晶圓支撐在台(例如，X-Y台)上，光束源在二維上掃描該線路束。
在一個實施例中，可將支架橫樑16、18沿著固定軌12、14設定在特定位置，且光束源20係沿著支架橫樑16、18以均勻速度移動以沿著稱為快方向(亦即，線路寬度方向)之方向垂直於線路束26之長尺寸掃描線路束26。或者，光束源20可為靜止的，而相對於光束源20移動晶圓22，從而自晶圓22之一側至另一側掃描線路束26以照射晶圓22之1cm條帶。線路束26係足夠窄且沿快方向之掃描速度足夠快，使得晶圓之特定區域僅暫時曝露至線路束26之光學輻射，但在線路束之峰值 處之強度足夠加熱表面區域至極高溫度。然而，晶圓22之較深部分未經顯著加熱且因此充當散熱片以快速冷卻表面區域。一旦快掃描已完成，則將藉由X-Y台移動之支架橫樑16、18或晶圓22移動至新位置以使得線路束26沿著該線路束26之長尺寸移動，該線路束26之長尺寸沿著慢軸延伸。隨後再次執行快掃描以照射晶圓22之鄰近條帶。可能沿著光束源20之蛇形路徑重複交替的快掃描及慢掃描直至已將整個晶圓22熱處理。
在第2圖中概念圖示示例性光束源20，第2圖圖示包含雷射二極體桿陣列及光學器件之光學系統200，該等雷射二極體桿陣列及光學器件共同工作以產生待聚焦在晶圓22上之均勻分佈之雷射光。在一個實施例中，光學系統200大體包括雷射二極體桿陣列202、照明光學器件204、均勻器206、傅立葉變換透鏡(或場透鏡)208及高溫計收集光學器件210，該均勻器206可為微透鏡陣列。箭頭「A」表示在約808nm處之雷射輻射係由雷射二極體桿陣列202產生且經由照明光學器件204、微透鏡陣列均勻器206、傅立葉變換透鏡208按順序透射至晶圓。自加熱晶圓發出之一部分熱輻射係藉由傅立葉變換透鏡208收集且通過微透鏡陣列均勻器206、照明光學器件204朝著雷射二極體桿陣列202反向行進。可將光束反射器(未圖示) 佈置在微透鏡陣列均勻器206與照明光學器件204之間以將在高溫計波長(940nm、1550nm，箭頭「B」)處自加熱晶圓發射之一部分熱輻射導引至高溫計收集光學器件210，從而監測正進行熱處理之晶圓之溫度。為避免或最小化對雷射二極體桿陣列202之熱衝擊，照明光學器件204可包括一或更多束集堆(未圖示)以收集自加熱晶圓反射之熱輻射。下文將更詳細地論述光學系統200。
第3圖圖示雷射二極體桿陣列202之端平面圖。雷射二極體桿陣列202可具有多個二極體桿302，每一者包括期望數目之雷射二極體(未圖示)，例如，在二極體桿302上安裝且分隔400μm間距之約25個雷射二極體。可將二極體桿302彼此平行而佈置以形成雷射桿堆疊304。二極體桿302及堆疊304之數目可取決於製程所需要之輸出功率而改變。在輸出需求為自全部二極體桿陣列可獲得至少1600W之情況中，限制自給定二極體桿發射之總功率可有利於增加雷射二極體之使用壽命。舉例而言，可將每一二極體桿302之總輸出功率限制為約60W。在間距為約1.8mm(高度)且二極體桿長度為約10mm的一個實施例中，功率密度/桿為約330W/cm2。為補償較低的光輸出，已決定，可要求總共9個二極體桿302(沿快軸方向)之3個堆疊304(沿慢軸方向)來滿足整體功率需求。因此， 雷射二極體桿陣列202具有如所示以3×9陣列分組之總共27個二極體桿302。
每一二極體桿302大體對應於p-n接面，該p-n接面經設置以在適合於熱處理應用之波長處發射光束，例如，在約190nm與約950nm之間，且在808nm處為使用照明之特定應用。由於二極體桿302之幾何結構，來自每一離散二極體桿302之原始輸出光束在快軸及慢軸兩個方向上(兩個方向皆垂直於光束方向)係高度發散且不對稱的。典型快軸發散為約40°半高全寬(Full Width Half Maximum；FWHM)且慢軸發散為約10°FWHM。對於大多數應用，使用一或更多光學元件將輸出光束再成形為具有矩形橫斷面之輸出光束可為有利。由於沿快軸方向觀察到更高發散，諸如柱狀透鏡(未圖示)之光學元件可覆蓋每一雷射二極體以沿著快軸方向準直具有發散角Φ(第4圖圖示輸出光束發散Φ之慢軸視圖)之輸出光束。在一個實施例中，對於全部操作電流，輸出光束穿過光學系統200沿著慢軸之發散小於7.5°半高全寬(FWHM)且沿著快軸之發散小於0.2°FWHM。
在一個實施例中，二極體桿302可具有約2mm至約20mm之長度，例如沿慢軸方向之約10mm，且與鄰近二極體桿分隔約0.5mm至約3mm之桿間距「p」，例如沿快軸方向分隔約1.8mm 或更少。堆疊間隔「d」(堆疊中心至堆疊中心)可介於約5mm與約2mm之間，例如約12mm或更少。雷射二極體桿陣列202可具有約5mm至約30mm之高度「H」(該高度係藉由桿之數目及桿間隔設定)，例如約14.4mm，及約15mm至約50mm之寬度「W」(該寬度亦藉由桿之數目及桿間隔設定)，例如約34mm。設想包括二極體桿302之間隔、間距及/或大小之設置可取決於輸出功率需求而改變。咸信具有此特定幾何結構之雷射二極體桿陣列202提供具有一深寬比之光束，該深寬比有利於藉由微柱狀透鏡之一或多個陣列之均勻化及有利於使用具有球形表面之透鏡成像光束線路，如下文將更詳細論述。
第4A圖及第4B圖圖示經由示例性照明光學器件400傳播之輸出光束之慢軸視圖及快軸視圖。當輸出光束到達微透鏡陣列均勻器206時，照明光學器件400以正確的慢軸發散及數值孔徑(numerical aperture；NA)準直且聚光來自雷射二極體桿陣列202之輸出光束。照明光學器件400亦幫助消除均勻器照明對雷射二極體電流之依賴且提供微透鏡陣列均勻器206之恆定角度慢軸照明。在一個實施例中，照明光學器件400可包括偏振分光鏡402(在圖式中識別為「L1」)、高溫計二向分光鏡404(識別為「L6」)、波片406(識 別為「L7」)、慢軸透鏡集合408(識別為「L2」及「L5」)及快軸透鏡集合410(識別為「L3」及「L4」)。偏振分光鏡402可安置在雷射二極體桿陣列202之下游且經設置產生具有垂直偏振方向之一個組分或兩個組分。偏振分光鏡402經設置以確保自雷射二極體桿陣列202之輸出光束到達具有指定線性偏振之偏振分光鏡402且將非指定線性偏振之光自光學路徑重導引至束集堆(未圖示)，該具有指定線性偏振之偏振分光鏡402將沿著光學軸Z(光學路徑)透射輸出光束。在一個實例中，偏振分光鏡402係設置在相對於慢軸約45度之角度處。可將波片406(諸如四分之一(λ/4)波片)安置在光束路徑中，諸如在偏振分光鏡402與微透鏡陣列均勻器206之間的位置，以使得通過波片406之線性偏振光束變為圓偏振。在一個實例中，波片406係安置在高溫計二向分光鏡404與微透鏡陣列均勻器206之間。
在偏振光束通過慢軸透鏡集合408、快軸透鏡集合410、高溫計二向分光鏡404、波片406及光學系統200之剩餘部分(亦即，如第2圖所示之微透鏡陣列均勻器206及傅立葉變換透鏡208)之後，某些光束可經由光學系統200自晶圓22之表面向後反射。在此反向透射期間，光束與波片406之第二次碰撞使得光束再次變為線性偏振，但旋轉了 90°。在光束與偏振分光鏡402第二次碰撞後，雷射輻射經導引至束集堆，從而保護雷射二極體桿陣列202免受潛在損害。
自加熱晶圓22發出之具有950nm或更大之波長的熱輻射係藉由高溫計二向分光鏡404重導引至高溫計(第7圖)。將高溫計之輸出供應至控制器(未圖示)，該控制器將已偵測光電流轉換為晶圓溫度且將該晶圓溫度與期望溫度比較，從而調整供應至雷射二極體桿陣列202之功率(稍後將詳細論述)。
慢軸透鏡集合408可包括(按自物件側A至圖像側B的順序)彼此間隔開之柱狀透鏡408a及柱狀透鏡408b，且有效焦距f約120mm。快軸透鏡集合410係安置在柱狀透鏡408a與柱狀透鏡408b之間且可包括(按自物件側A至圖像側B的順序)間隔開之柱狀透鏡410a及柱狀透鏡410b，以便包含在快軸方向具有放大率1.1.8x之焦點望遠鏡或擴束器。在一個實施例中，柱狀透鏡408a具有面朝物件側A之凸透鏡表面420，而柱狀透鏡408b具有面朝圖像側B之凸透鏡表面422。柱狀透鏡410a具有面朝物件側A之凹透鏡表面426，而柱狀透鏡410b具有面朝圖像側B之凸透鏡表面428(第4B圖)。下文在表1中提供根據本發明之一個實施例對於慢軸透鏡408(亦即，柱狀透鏡408a及柱狀 透鏡408b)及快軸透鏡410(亦即，柱狀透鏡410a及柱狀透鏡410b)之詳細規定。
雷射二極體桿陣列202位於焦距f之慢軸透鏡集合408的前焦平面，而微透鏡陣列均勻器206位於後焦平面。在操作中，慢軸透鏡408產生沿著慢軸具有恆定發散角之光束。將光束聚光且收斂至微透鏡陣列均勻器206之輸入端，亦即，沿光學軸Z之方向的預均勻化透鏡陣列502，如第4A圖所示。內部快軸透鏡410移除或減小自柱狀透鏡留在雷射二極體上之任何殘留發散。將光束沿快軸方向擴展且準直至微透鏡陣列均勻器206內，如第4B圖所示(為清楚起見，已省略偏振分光鏡402、高溫計二向分光鏡404及波片406)。慢軸透鏡集合408及快軸透鏡集合410變換雷射二極體桿陣列202之光束輸出，以便發散較大且在慢軸方向恆定(如下一段落論述)，同時使得沿著快軸方向之發散角Φ較小。沿快軸行進至微透鏡陣列均勻器206 內之較小發散角意味著在晶圓22處更緊湊的線路聚焦。
照明光學器件400幫助遞送具有正確慢軸發散之雷射束至微透鏡陣列均勻器206，其中預均勻化透鏡陣列502具有約0.15之數值孔徑(NA)。為自微透鏡陣列均勻器206獲得良好均勻性，重要的是入射慢軸發散不超過微透鏡陣列均勻器206之數值孔徑(NA)。為了控制在微透鏡陣列均勻器206處入射之慢軸發散(注意，來自雷射二極體桿陣列202之SA發散為電流/功率輸出之函數)，二極體陣列發射平面係藉由具有約120mm之有效焦距f之一對柱狀透鏡408a、408b沿慢軸方向經光學傅立葉變換。因為光學傅立葉變換之性質(稍後將論述)，故在後焦平面之光角度係由在雷射二極體桿陣列202處之光空間位置決定。當雷射二極體桿陣列202之空間發射圖案為均勻的且獨立於二極體功率且幾何對稱時，微透鏡陣列均勻器206上之發散入射將同樣為均勻的且獨立於二極體功率。另一方面，光束在微透鏡陣列均勻器206處之慢軸空間範圍係由自雷射二極體桿陣列202之慢軸發散設定，且可取決於製程方案而改變。照明光學器件400將快軸發散減小了約1.18x，此舉在某些實施例中為必需的，以確保在晶圓22之像平面處之最終線路寬度符合具有0.135°之二極體陣列快 軸發散之<80μm FWHM需求。應注意，若二極體陣列快軸發散符合<0.12°之目標，則可省略快軸透鏡410。
第5A圖圖示微透鏡陣列均勻器500之慢軸視圖，諸如上文相對於第2圖所論述之微透鏡陣列均勻器206。微透鏡陣列均勻器500大體使用微透鏡陣列以使雷射束沿著慢軸均勻化，該微透鏡陣列諸如預均勻化透鏡陣列502(在圖式中識別為「L8」)及最終均勻化透鏡陣列504(識別為「L10」)，該最終均勻化透鏡陣列504係平行於預均勻化透鏡陣列502安置且與預均勻化透鏡陣列502間隔開透鏡之焦距。在預均勻化透鏡陣列502及最終均勻化透鏡陣列504係柱狀微透鏡陣列之情況中，可將預均勻化透鏡陣列502之柱狀微透鏡軸及最終均勻化透鏡陣列504之柱狀微透鏡軸沿著平行於雷射二極體桿陣列202之快軸的軸而定向。微透鏡陣列均勻器500可具有特定選取之數值孔徑(NA)，以允許全球面的傅立葉變換透鏡208。儘管圖示兩個微透鏡陣列(亦即，502、504)，但微透鏡陣列均勻器500可包括更多微透鏡陣列以減少在晶圓處之最終線路圖像中之斑點。
在操作中，來自光源之輸出光束(亦即，來自雷射二極體桿陣列202之輸出光束)係由如上所述之照明光學器件204之柱狀透鏡聚焦且沿 著慢軸進入具有有限收斂角之微透鏡陣列均勻器500，但實質上沿著快軸準直。微透鏡陣列均勻器500減少藉由在慢軸上間隔開之雷射桿堆疊304(第3圖)中之多個雷射二極體引入之沿著慢軸之光束結構，且消除光源中可能的不均勻性。預均勻化透鏡陣列502及最終均勻化透鏡陣列504可為柱狀透鏡或具有複數個彎曲表面之透鏡。在第5A圖圖示之一個實施例中，預均勻化透鏡陣列502及最終均勻化透鏡陣列504大體分別包括柱狀透鏡503、505之微光學微透鏡陣列。例如，第5B圖圖示預均勻化透鏡陣列502之一部分微透鏡陣列之特寫慢軸視圖。如所示之微透鏡陣列包括兩個相鄰柱狀透鏡503a、503b及定位在柱狀透鏡503a與柱狀透鏡503b之間的過渡區域510。在過渡區域510中，表面輪廓近似柱狀凹透鏡，該過渡區域510平滑地連接至柱狀凸透鏡503a、503b。此過渡區域510之寬度影響線路圖像之末端處之線路長度及邊緣斜率。在一個實例中，過渡區域510具有約20μm至約60μm之長度，例如約40μm之長度，且柱狀透鏡503a、503b中之每一者具有約180μm至約300μm之長度，例如約250μm之長度。
當在入射到微透鏡陣列之光中存在充分的空間相干性時，該空間相干性可導致在最終線路圖像處之不期望之相干假影，額外透鏡(例如， 弱柱狀透鏡506(在圖式中識別為「L9」))可置放在預均勻化透鏡陣列502與最終均勻化透鏡陣列504之間以幫助減輕該等相干不均勻性。弱柱狀透鏡506可具有約500mm之焦距。上文顯示，為滿足在隨後傅立葉變換透鏡208中使用球面光學器件之圖像線路長度需求，微透鏡陣列均勻器206可要求在慢軸中具有約0.16之數值孔徑(NA)之微透鏡陣列(亦即，透鏡陣列502、504)。透鏡陣列之數值孔徑可如下所表示： 其中，「間距」為微透鏡陣列間隔(例如，自柱狀透鏡503a之中心至相鄰柱狀透鏡503b之中心)，「填充因數」為微透鏡寬度與間距之比值，「f」為微透鏡之焦距，「r」為微透鏡前表面及微透鏡後表面之曲率半徑，且「n」為陣列材料在設計波長處之折射率。在微透鏡陣列使用熔矽石之情況中，折射率n在λ為約808nm時為約1.453。微透鏡陣列之填充因數係主要藉由製造方法決定。在一個實施例中，其中使用在預均勻化透鏡陣列502及最終均勻化透鏡陣列504中之微透鏡陣列為LIMO透鏡陣列(可購自德國多特蒙德(Dortmund)的LIMO GmbH)，填充因數已經量測為大於>90%。下表2提供根據本發明之一個實施例對於使用在微透鏡陣 列均勻器500中之預均勻化透鏡陣列502及最終均勻化透鏡陣列504之光學規定。1號微透鏡陣列表示預均勻化透鏡陣列502，該預均勻化透鏡陣列502用以減輕圖像線路中之相干不均勻性。預均勻化透鏡陣列502具有約275μm之間距及約0.155之NA，該等值稍微低於2號微透鏡陣列，2號微透鏡陣列表示最終均勻化透鏡陣列504，該最終均勻化透鏡陣列504具有與陣列1號相同的光學規定，不同之處在於間距較大為約290μm，此較大間距導致約0.164之較大NA。在實驗上已觀察到，當藉由以下入射光照射時，微透鏡陣列均勻器500工作最佳：該入射光具有接近但不超過微透鏡陣列均勻器206之微透鏡陣列NA之慢軸NA。詳言之，起因於雷射二極體桿陣列202之空間相干性之干擾效應係藉由使入射光NA接近微透鏡陣列NA而減輕。因此，在預均勻化透鏡陣列502與最終均勻化透鏡陣列504之間的間距差可有利於減少在兩個透鏡陣列502、504之間的頻率干擾，若該兩個透鏡陣列502、504具有相同間距，則將發生頻率干擾。
已選取光學參數來提供足夠小間距，使得足夠數目之微透鏡(亦即，柱狀透鏡503、505之微光學微透鏡陣列)由雷射二極體桿陣列202及照明光學器件204照射。在一個實例中，在預均勻化透鏡陣列502及最終均勻化透鏡陣列504之每一 者中可能有近似50個柱狀透鏡503、505覆蓋微透鏡陣列均勻器206中之約15mm光束寬度。
第6A圖圖示經由示例性聚光透鏡集合600傳播之雷射束之慢軸視圖，示例性聚光透鏡集合600係如上文相對於第2圖論述之傅立葉變換透鏡208。聚光透鏡集合600可為任何適當的傅立葉變換透鏡，或如下文相對於第6A圖所述之具有特定透鏡佈置之聚光透鏡集合600。傅立葉變換透鏡經設計以聚焦線路圖像在晶圓22處且具有與藉由最終微透鏡陣列產生之輻射強度分佈相匹配之特定光學失真。透鏡設計係有目的地散光的，此情形允許較少單獨透鏡元件之更簡單設計且仍允許具有線路圖像之成像品質而不負面地影響線路均勻性。在一個實施例中，聚光透鏡集合600大體包括透鏡陣列，該透鏡陣列自物件側A至圖像側B按順序包含五 個單獨透鏡，例如，沿著光學軸Z佈置且具有全球形表面之第一透鏡602、第二透鏡604、第三透鏡606、第四透鏡608及第五透鏡610(在圖式中分別識別為「L11」、「L12」、「L13」、「L14」及「L15」)。與使用柱狀光學器件及球形表面光學器件兩者之變像設計相比，具有全球面透鏡之聚光透鏡集合600允許更經濟的製造且更容易對準。下文表3提供根據本發明之一個實施例對於每一單獨透鏡602、604、606、608及610之詳細規定。
第6A圖亦可包括可更換輸出窗口612(在圖式中識別為W1)及腔室窗口614(在圖式中識別為W2)。可更換輸出窗口612保護光學系統200之內部。準直雷射束可經由腔室窗口614進入腔室。在熱處理應用中，腔室窗口614可大於正進 行處理之晶圓22。此係因為對晶圓之全部區域可能需要光存取作為處理之部分。應注意，本發明不局限於此特定數目之透鏡且替代實施例可包括不同數目之透鏡。透鏡中之每一者之特定光學特性及該等透鏡組合之方式可界定提供於晶圓22之表面上之覆蓋圖像之形狀。
聚光透鏡集合600(諸如傅立葉變換透鏡208)在晶圓22處形成最終線路圖像(第2圖)。因為圖像形成在透鏡之後焦平面，故稱為傅立葉變換透鏡。因此，透鏡在無限共軛處操作，以給定入射角將輸入光束映射至晶圓22之圖像平面內之位置。透鏡之廣義失真函數g(θ)決定入射角θ至圖像位置y之映射，定義為y=fg(θ)。在最終均勻化透鏡陣列504之後立即產生之正規化輻射強度I(θ)係每弧度光學功率之量測，亦即，I(θ)dθ係含在光束角度θ與光束角度θ+dθ之間的功率(為方便起見，假定I(0)=1)。由於為適度高NA微透鏡陣列所固有之像差，函數I(θ)不為頂帽(見第6B圖之(a))，而是藉由二次方程式(見第6B圖之(b))I(θ)=1+c2θ2更好表示。界定在晶圓22之圖像平面處之正規化照射度函數H(y)以使得H(y)dy係在區域y至y+dy內之功率。對於高度均勻照射度，H(y)為恆定，為方便起見將該H(y)取為一，且失真映射y=g(θ)為導致H(y)=1之映射。由於對於 均勻頂帽照射度，H(y)=1，故藉由能量守恆，吾人按照映射g(θ)可獲得下列結果，該映射g(θ)將 角度θ轉換成為位置y：
當藉由最終均勻化透鏡陣列504產生之正規化輻射強度可藉由二次方程式 I(θ)=1+c2θ2表示時，獲得方程式。由 此，容易獲得最終結果用於期望廣義失真映射 。此為廣義失真映射，該廣義失真映射 將導致在晶圓22之圖像平面中之平坦頂部照射度H(y)。唯一參數為輻射強度二次方程式係數c2。光學設計中之失真按照慣例係相對於tan(θ)指定，因為tan(θ)為將x-y物件平面映射成為晶圓22之x'-y'圖像平面而在有限物件/圖像距離處無失真的映射。由於tan(θ)為約θ+θ3/3+...，故吾人可按此慣例對具有「零」失真之透鏡假定c2=1。更具體而言，藉由在常見光學設計軟體中使用之定義，以上文界定之廣義映射g(θ)為特徵之透鏡之失真 可界定為。因此，一旦c2 為已知，則吾人可指定在聚光透鏡集合600之每一單獨透鏡中需要之失真。在聚光透鏡集合600係傅立葉變換透鏡且二次曲線擬合至輻射強度導致c2=-1.35的一個實例中，期望傅立葉變換透鏡失 真(偏離tan(θ)失真)在1.66弧度或9.5°之視場角處為-2.14%。用來設計傅立葉變換透鏡之評價函數(merit function)係經界定以最小化快軸方向之像點大小。在各種實施例中，聚光透鏡集合600係經設置以提供：(1)約38mm之有效焦距，該有效焦距係藉由快軸發散設定以滿足如上所述之80mm FWHM線路寬度；(2)±9.5°之輸入視場角(慢軸)，該等輸入視場角係藉由微透鏡陣列均勻器206之NA(約0.164)設定；(3)約20.5mm之後焦距(亦即，腔室窗口614至晶圓22處之圖像)；及(4)在最大視場角9.5°處約-2.14%之失真(相對於tan(θ))。根據本發明之一者的聚光透鏡集合600之進一步規定可在上表3及下表4中得到。
儘管聚光透鏡集合600可經構造以最小化快軸方向中之像點大小，但全球面透鏡之使用可允許透鏡顯示出散光。慢軸方向中之像點成長導致在線路端部處無意義的線路延長及軟化。然而，已顯示，此透鏡設計不損害快軸方向中之線路寬度，而是允許較少單獨透鏡元件之更簡單設計，且允許具有線路圖像之成像品質而不會負面地影響線路均勻性。可設想在聚光透鏡集合600中使用之透鏡之數目不局限於如所述之五個球面元件。熟習該項技術者可使用上文方程式根據需要添加或移除透鏡以最佳化在聚光透鏡集合600之每一單獨透鏡中需要之失真。
第7圖圖示根據本發明之一個實施例之光學系統700之透鏡佈置之慢軸視圖，該光學系統700包括如上所述之雷射二極體桿陣列202、照明光學器件(偏振分光鏡402、慢軸透鏡408a-b、快軸透鏡410a-b、高溫計二向分光鏡404及波片406)、微透鏡陣列均勻器(502、504及506)及聚光透鏡集合(602、604、606、608、610、612及614)及高溫計收集光學器件(702、704、706及708)。在第7圖中，將自一或更多電磁源(亦 即，雷射二極體桿陣列202)至晶圓22之表面的光學軸表示為Z軸。此圖式中之光學系統700之慢軸(「SA」)係經識別，且如所示快軸(「FA」)與頁面垂直。如上文相對於第4A圖簡要論述，為調節或控制晶圓溫度，晶圓22之已照射部分之溫度係藉由高溫計收集光學器件恆定監測。用來準直及聚焦雷射源光束於晶圓22上之相同光學器件係用以沿反方向將自加熱晶圓22發出之熱輻射導引至高溫計702。熱輻射可經由聚光透鏡集合(602、604、606、608、610、612及614)、微透鏡陣列均勻器(502、504及506)反向傳播至具有塗層(例如，SiO2及/或Ta2O5)之高溫計二向分光鏡404，該塗層同時具有在高溫測定波長(例如，940nm及1550nm)處之高反射率及在主要雷射波長808nm處之高透射率。在熱輻射第二次碰撞高溫計二向分光鏡404後，自加熱晶圓22發出之具有940±5nm或1550±5nm之波長的熱輻射係藉由高溫計二向分光鏡404重導引至光學濾波器704，光學濾波器704阻塞雷射輻射之(例如)808nm波長。具有高溫測定波長之雷射輻射係藉由可選稜鏡706反射至透鏡708，該透鏡708聚焦雷射輻射於高溫計702之面上。將高溫計之輸出供應至控制器(未圖示)，該控制器將已偵測光電流轉換至晶圓 溫度且將該晶圓溫度與期望溫度比較，從而調整供應至雷射二極體桿陣列202之功率。
雖然前文針對本發明之實施例，但可設計本發明之其他及進一步實施例而不脫離本發明之基本範疇，且藉由隨後之申請專利範圍決定本發明之範疇。
22‧‧‧晶圓
202‧‧‧雷射二極體桿陣列
402‧‧‧偏振分光鏡
404‧‧‧高溫計二向分光鏡
406‧‧‧波片
408a‧‧‧柱狀透鏡
408b‧‧‧柱狀透鏡
410a‧‧‧柱狀透鏡
410b‧‧‧柱狀透鏡
502‧‧‧預均勻化透鏡陣列
504‧‧‧最終均勻化透鏡陣列
506‧‧‧弱柱狀透鏡
602‧‧‧第一透鏡
604‧‧‧第二透鏡
606‧‧‧第三透鏡
608‧‧‧第四透鏡
610‧‧‧第五透鏡
612‧‧‧輸出窗口
614‧‧‧腔室窗口
700‧‧‧光學系統
702‧‧‧高溫計收集光學器件/高溫計
704‧‧‧高溫計收集光學器件/光學濾波器
706‧‧‧高溫計收集光學器件/稜鏡
708‧‧‧高溫計收集光學器件/透鏡

Claims (19)

  1. 一種用於處理一基板之熱處理設備，該熱處理設備包含：一基板支撐件，該基板支撐件具有一基板接收表面；一光束源，該光束源具有一快軸，用於沿著與該基板支撐件之該基板接收表面相交之一光學路徑發射一光束；以及一均勻器，該均勻器沿著該光學路徑安置在該光束源與該基板支撐件之間，該均勻器包含：一第一透鏡陣列，該第一透鏡陣列具有柱狀透鏡之鏡片陣列(lenslet array)；以及一第二透鏡陣列，該第二透鏡陣列具有柱狀透鏡之鏡片陣列，其中該第二透鏡陣列之鏡片陣列之至少兩個相鄰的柱狀透鏡的間距大於該第一透鏡陣列之鏡片陣列之至少兩個相鄰的柱狀透鏡的間距。
  2. 如請求項1所述之設備，進一步包含：複數個聚光透鏡，該複數個聚光透鏡沿著該光學路徑安置在該均勻器與該基板支撐件之間，其中該複數個聚光透鏡包含至少五個球形表面的透鏡(spherical lenses)。
  3. 如請求項1所述之設備，其中該光束源發射波長介於約190nm及約950nm之間的 一光束。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該第二透鏡陣列之鏡片陣列之每個柱狀透鏡以及該第一透鏡陣列之鏡片陣列之每個柱狀透鏡係沿著與該快軸平行的一軸定向。
  5. 一種用於處理一基板之熱處理設備，該熱處理設備包含：一基板支撐件，該基板支撐件具有一基板接收表面；一雷射二極體桿陣列，該雷射二極體桿陣列在一第一波長處沿著與該基板支撐件之該基板接收表面相交之一光學路徑發射雷射輻射，該雷射二極體桿陣列係佈置在沿著一慢軸延伸之複數平行列內，該等列之雷射二極體桿係沿著一快軸佈置在一堆疊中，其中該慢軸及該快軸係與在該雷射二極體桿陣列與該基板支撐件之間的該光學路徑垂直；一照明光學器件，該照明光學器件沿著該光學路徑安置在該雷射二極體桿陣列與該基板支撐件之間，該照明光學器件包含：具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡之一慢軸透鏡集合，以及具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡之一快軸透鏡集合，該快軸透鏡集 合係安置在該慢軸透鏡集合之第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間；以及一均勻器，該均勻器沿著該光學路徑安置在該照明光學器件與該基板支撐件之間，用於沿著該慢軸均勻化雷射輻射，該均勻器包含：一第一透鏡陣列，該第一透鏡陣列具有柱狀透鏡之鏡片陣列；以及一第二透鏡陣列，該第二透鏡陣列具有柱狀透鏡之鏡片陣列，其中該第二透鏡陣列之鏡片陣列之至少兩個相鄰的柱狀透鏡的間距大於該第一透鏡陣列之鏡片陣列之至少兩個相鄰的柱狀透鏡的間距。
  6. 如請求項5所述之設備，其中該照明光學器件進一步包含：一二向分光鏡，該二向分光鏡安置在該快軸透鏡集合之下游且設置成將自加熱的基板反射之一第二波長及一第三波長之雷射輻射重導引至一高溫計；以及一波片，該波片安置在該二向分光鏡之下游以將雷射輻射之線性偏振變為圓偏振。
  7. 如請求項5所述之設備，進一步包括：一聚光透鏡集合，該聚光透鏡集合沿著該光學路徑安置在該均勻器與該基板支撐件之間，用於在該基板之一表面聚焦線路圖像。
  8. 如請求項7所述之設備，其中該聚光透鏡集合包含至少五個球形表面的透鏡。
  9. 如請求項5所述之設備，其中該慢軸透鏡集合之該第一柱狀透鏡具有面朝該雷射二極體桿陣列之一凸透鏡表面，以及該慢軸透鏡集合之該第二柱狀透鏡具有面朝該基板之該表面之一凸透鏡表面。
  10. 如請求項5所述之設備，其中該快軸透鏡集合之該第一柱狀透鏡具有面朝該雷射二極體桿陣列之一凹透鏡表面，以及該快軸透鏡集合之該第二柱狀透鏡具有面朝該基板之該表面之一凸透鏡表面。
  11. 如請求項5所述之設備，其中該第一透鏡陣列之每個透鏡的軸及該第二透鏡陣列之每個透鏡的軸被定向成平行該快軸。
  12. 如請求項5所述之設備，其中該第一波長為約808nm、該第二波長為約940nm，以及該第三波長為約1550nm。
  13. 一種用於處理一基板之熱處理設備，該熱處理設備包含：一基板支撐件，該基板支撐件具有一基板接收表面；一雷射二極體桿陣列，該雷射二極體桿陣列沿著與該基板支撐件之該基板接收表面相交 之一光學路徑發射雷射輻射，該雷射二極體桿陣列係佈置在沿著一慢軸延伸之複數平行列內，其中該等列之雷射二極體桿係沿著一快軸佈置在一堆疊中，該慢軸大致垂直於該快軸，以及該慢軸及該快軸係與該光學路徑垂直；一照明光學器件，該照明光學器件沿著該光學路徑安置在該雷射二極體桿陣列與該基板支撐件之間；一均勻器，該均勻器安置在該照明光學器件與該基板支撐件之間，該均勻器包含：柱狀透鏡之一第一透鏡陣列；以及柱狀透鏡之一第二透鏡陣列，該柱狀透鏡之第二透鏡陣列平行於該柱狀透鏡之第一透鏡陣列安置且與該柱狀透鏡之第一透鏡陣列間隔開，其中該第二透鏡陣列之至少兩個相鄰的柱狀透鏡的間距大於該第一透鏡陣列之至少兩個相鄰的柱狀透鏡的間距，以及該第一透鏡陣列之每個透鏡的軸及該第二透鏡陣列之每個透鏡的軸被定向成平行該快軸；以及一聚光透鏡集合，該聚光透鏡集合沿著該光學路徑安置在該均勻器與該基板支撐件之間，該聚光透鏡集合包含至少五個球形表面的透鏡。
  14. 如請求項13所述之設備，其中該照明 光學器件進一步包含：具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡之一慢軸透鏡集合，該慢軸透鏡集合沿該慢軸準直雷射束輻射，以及具有彼此間隔開之至少第一柱狀透鏡及第二柱狀透鏡之一快軸透鏡集合，該快軸透鏡集合係安置在該慢軸透鏡集合之第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間以沿該快軸準直雷射束輻射。
  15. 如請求項13所述之設備，其中該慢軸透鏡集合之該第一柱狀透鏡具有面朝該雷射二極體桿陣列之一凸透鏡表面，以及該慢軸透鏡集合之該第二柱狀透鏡具有面朝該基板之該表面之一凸透鏡表面。
  16. 如請求項13所述之設備，其中該快軸透鏡集合之該第一柱狀透鏡具有面朝該雷射二極體桿陣列之一凹透鏡表面，以及該快軸透鏡集合之該第二柱狀透鏡具有面朝該基板之該表面之一凸透鏡表面。
  17. 如請求項13所述之設備，其中該慢軸及快軸透鏡集合具有說明書之表1(L2-L5)中所示之光學規定(optical prescription)。
  18. 如請求項13所述之設備，其中該柱狀透鏡之第一及第二透鏡陣列具有說明書之表2中所示之光學規定。
  19. 如請求項13所述之設備，其中該聚光透鏡集合具有說明書之表3(L1-L5)及表4中所示之光學規定。
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