TWI630659B - 用於雷射製程中減少非均勻加熱之動態光學閥 - Google Patents

Abstract

本發明的實施例大體係關於光學閥，用以修改雷射光束，使更多能量照射基板的少吸收區，及使更少能量照射基板的多吸收區，從而產生更均勻的加熱場。光學閥為包含反射交換層、吸收層、熱阻和熱浴的層狀結構。

Description

用於雷射製程中減少非均勻加熱之動態光學閥

本文所述實施例係關於熱處理的設備和方法。更特定言之，本文所述設備和方法係關於雷射熱處理半導體基板。

半導體產業常實行熱處理。半導體基板在許多變換下經熱處理，包括摻雜、活化及退火處理閘極、源極、汲極和通道結構、矽化、晶粒成長、結晶、氧化等。多年來，熱處理技術已從簡單的焙爐烘烤進展成各種日益快速的熱處理形式，例如快速熱處理(RTP)、尖波退火和雷射退火。

習知雷射退火製程使用雷射發射器，雷射發射器可為半導體、準分子、氣體或固態雷射，且具有光學元件，用以聚焦、散焦或以各種方式使雷射光成像成預定形狀。一方式係使雷射聚焦到矩形上，矩形大致對應形成於基板上的一或更多積體電路晶粒。各晶粒係藉由脈衝輸送雷射及使晶粒逐一步進通過基板而處理。基板表面可能具有不同光吸收性，導致表面各處的溫度不均勻。此差別加熱將造成處理結果差異，此稱作「圖案效應」，因為差異通常依循基板上的 晶粒圖案。圖案效應為製程整合及接受雷射處理工具用於生產的最大問題之一。因此，需要新設備和方法來熱處理半導體基板。

本發明的實施例大體係關於光學閥，用以修改雷射光束，使更多能量照射基板的少吸收區，及使更少能量照射基板的多吸收區，從而改善場各處的溫度均勻度。光學閥具有四種熱-光學特性：反射交換、光吸收、熱阻和熱容。光學閥可為包含反射交換層、吸收層、熱阻和熱浴的層狀結構、或具有數種特性的單層。

在一個實施例中，揭示光學閥。光學閥包含熱浴層、熱阻層、吸收層和反射交換層。

在另一個實施例中，揭示用於熱處理基板的設備。設備包含：基板支撐件；操作以產生電磁能脈衝的電磁能源；包含脈衝結合器、脈衝整形器、均質器與孔徑構件的光學系統，光學系統設置以接收自該源的電磁能脈衝；以及併入孔徑構件的光學閥。

在另一個實施例中，揭示用於熱處理基板的方法。方法包含將雷射脈衝引導通過光學閥而至基板的表面上。表面具有多光能吸收區和少光能吸收區。方法進一步包含當雷射脈衝傳送到少光能吸收區時，使能量反射回光學閥，及當光學閥的溫度因反射能量而提高時，改變光學閥的反射率。

在另一個實施例中，揭示光學閥。光學閥包括吸收層和反射交換層。反射交換層在一波長下具有峰值反射率， 該波長不同於引導至光學閥的電磁能波長，且反射交換層的峰值反射率的該波長會隨反射交換層的溫度提高而改變。

100‧‧‧光學閥

102‧‧‧反射交換層

104‧‧‧吸收層

106‧‧‧熱阻層

108‧‧‧熱浴層

200‧‧‧系統

202‧‧‧能量模組

204‧‧‧脈衝控制模組

206‧‧‧脈衝整形模組

208‧‧‧均質器

210‧‧‧基板支撐件

212‧‧‧控制器

216‧‧‧孔徑構件

218‧‧‧對準模組

300、320、322‧‧‧孔徑構件

302‧‧‧第一構件

304‧‧‧能量阻斷構件

306‧‧‧第二構件

308‧‧‧開口

310‧‧‧覆蓋層

312‧‧‧焦面

314‧‧‧內緣

316‧‧‧光學閥

400‧‧‧處理程序

402、404、406‧‧‧步驟

為詳細了解本發明的上述特徵，以上概述之發明特定說明可配合參考實施例，部分實施例乃圖示在附圖。然應注意所附圖式僅說明本發明典型實施例，故不宜視為限定本發明範圍，因為本發明可接納其他等效實施例。

第1圖係根據本發明的一個實施例的光學閥示意圖。

第2圖係根據本發明的一個實施例，併入光學閥的熱處理設備示意圖。

第3A圖至第3C圖係根據本發明的一個實施例，具有光學閥的孔徑構件側視圖。

第4圖係根據本發明的一個實施例的處理程序。

為助於理解，盡可能以相同的元件符號代表各圖中共同的相同元件。應理解某一個實施例揭示的元件當可有利地用於其他實施例，在此不再贅述。

本發明的實施例大體係關於光學閥，用以修改雷射光束，使更多能量照射基板的少吸收區，及使更少能量照射基板的多吸收區，從而產生更均勻的溫度場。光學閥可為包含反射交換層、吸收層、熱阻和熱浴的層狀結構。

第1圖係根據本發明的一個實施例之光學閥100的示意圖。光學閥100係具有反射交換層102、吸收層104、熱 阻層106和熱浴層108的層狀結構。光學閥100可設在雷射源與熱處理設備中的基板之間。如第1圖所示，吸收層104置於反射交換層102上，熱阻層106置於吸收層104上，熱浴層108置於熱阻層106上。然光學閥100可具有相反結構，即熱浴層108位於底部，熱阻層106置於熱浴層108上，吸收層104置於熱阻層106上，反射交換層102置於吸收層104上。操作期間，諸如雷射脈衝的雷射能經由光學閥100引導到基板。

反射交換層102可為包括介電材料子層的介電堆疊，例如氧化鈦或氧化鉭等。反射交換層102可包含多層。反射交換層102的反射率會隨入射到反射交換層102的光波長變化。反射交換層102的反射光譜會隨溫度變化而改變。當反射光譜隨溫度改變時，在特定波長(例如用於熱處理的雷射脈衝波長)下的反射率將改變。視材料而定，當反射光譜隨溫度改變時，在特定波長下的反射率可增加或降低。

反射交換層102的材料可選擇使反射光譜的峰值接近用於熱處理的光波長。反射交換層102的材料亦可選擇使峰值反射率以預定方式隨溫度改變。當溫度提高時，反射光譜的峰值可從低波長偏移到高波長、或從高波長到低波長。若反射光譜的峰值離入射光波長更遠，則反射交換層102的反射率將降低。若反射光譜的峰值更接近入射光波長，則反射交換層102的反射率將增加。在一個實施例中，反射交換層102的反射率隨溫度提高而降低。在另一個實施例中，反射交換層102的反射率隨溫度提高而增加。反射率降低意指 較多雷射能通過反射交換層102，反射率增加意指較少雷射能通過反射交換層102。

反射率變化或峰值光譜反射率偏移可依據層厚度或物性改變，例如溫度改變時的不同材料間的熱膨脹差異。在一個實施例中，反射交換層102在鄰近雷射波長的波長下具有峰值光譜反射率。隨著溫度提高，反射交換層102的反射率將降低，即偏離雷射波長更遠，以致當雷射脈衝通過光學閥100時，光學閥100反射較少雷射能。在另一個實施例中，隨著溫度提高，反射交換層102的反射率將增加。反射率增加可反射更多雷射能，使得較少雷射能抵達基板上的熱敏裝置。

反射交換層102的動態響應時間通常很快，且可能小於雷射脈衝持續期間。在一個實施例中，動態響應時間為4奈秒(ns)至50ns。

吸收層104可為很薄的金屬或金屬氧化物層，例如氧化鉻。吸收層104至少非常些微地吸收雷射波長，使吸收層104得被雷射能加熱。吸收層104具有包括雷射能波長的吸收光譜，並將雷射能轉換成熱來加熱反射交換層102。

熱阻層106可為無定形氧化矽。熱阻層106可控制熱從反射交換層102流到熱浴層108，以響應基板的反射率而達成目標溫度行為。熱阻層106係就特定脈衝持續時間設計，使透射率在發生飽和前得增加到最大。熱阻層106的阻值切合系統，故反射交換層102可在預定時間內達目標溫度。熱阻層106的阻值可由組成、密度或厚度調整。此外，經由熱 阻層106讓熱洩漏到熱浴層108，可防止熱失控達飽和。

熱浴層108可為單層或多層結構，以助於散熱。在一個實施例中，熱浴層108包含氧化鋁。熱浴層108和熱阻層106可以或可不部分吸收雷射波長。

層102、104、106、108的一些或所有特性可整合於單層。在一個實施例中，使用氧化矽，因為氧化矽具高熱阻，且有夠高的熱容做為熱浴，此視裝置設計應用而定。在另一個實施例中，用於反射交換層102的材料具有若干光吸收性，故可直接加熱層102。在另一個實施例中，吸收層104可偕同反射交換層102共沉積。

第2圖係用於雷射處理基板的系統200的示意圖。系統200包含能量模組202、脈衝控制模組204、脈衝整形模組206、均質器208、孔徑構件216和對準模組218，能量模組202具有複數個脈衝式雷射源，用以產生複數個脈衝式雷射脈衝，脈衝控制模組204將個別脈衝式雷射脈衝結合成結合脈衝式雷射脈衝，以控制結合脈衝式雷射脈衝的強度、頻率特性和極性特性，脈衝整形模組206調整結合脈衝式雷射脈衝的脈衝時間輪廓，均質器208調整脈衝的空間能量分佈，使結合脈衝式雷射脈衝重疊成單一均勻能場，孔徑構件216自能場移除殘留邊緣不均勻性，對準模組218能使雷射能場精確對準置於基板支撐件210上的基板。控制器212耦接至能量模組202而控制產生雷射脈衝、至脈衝控制模組204而控制脈衝特性，及至基板支撐件210，以控制基板相對能場的移動。

雷射可為任何能形成短脈衝(例如持續時間小於約100ns)、高功率雷射照射的雷射類型。通常係使用具有超過500個空間模態且M²大於約30的高形態雷射。固態雷射很常使用，例如Nd：YAG、Nd：玻璃、鈦-藍寶石或其他稀土摻雜結晶雷射，但也可使用諸如準分子雷射的氣體雷射，例如XeCl₂、ArF或KrF雷射。雷射例如由q-切換(被動或主動)、增益切換或鎖模切換切來換。亦可在雷射輸出附近使用勃克爾盒，藉以中斷雷射發射之光束而形成脈衝。通常，可用於脈衝式雷射處理的雷射能產生能含量約100毫焦耳(mJ)至約10焦耳(J)、持續時間約1ns至約100微秒(通常為約1J、持續約8ns)的雷射照射脈衝。雷射的波長可為約200nm至約2000nm，例如約400nm至約1000nm，例如約532nm。在一個實施例中，雷射係q-切換的倍頻Nd：YAG雷射。雷射可全在相同波長下操作，或者一或更多雷射可在不同於能量模組202中的其他雷射波長下操作。雷射可經放大而發展成預定功率位準。在大多數的情況下，放大媒介將同於或類似雷射發光媒介的組成。每一個別雷射脈衝通常由自身放大，但在一些實施例中，所有雷射脈衝係在結合後放大。

傳送到基板的典型雷射脈衝可為多個雷射脈衝結合。可以控制時間及控制相互關係的方式產生多個脈衝，以於結合時產生單一雷射輻射脈衝，單一雷射輻射脈衝具有控制時間與空間能量輪廓，並控制能量升高、持續時間與衰變，及控制能量不均勻性的空間分佈。在其他實施例中，多個雷射脈衝可在時間上分開，使所得結合能量為脈衝列。控制器 212可具有脈衝產生器，例如耦接至電壓源的電子計時器，電子計時器耦接至各雷射，例如各雷射的各開關，以控制各雷射產生脈衝。

光學閥100可設在能量模組202與置於基板支撐件210上的基板之間。在一個實施例中，光學閥100可耦接或併入孔徑構件216。操作期間，光學閥100按比例容許更多能量抵達基板的少吸收區，以大大減低圖案效應。光學閥100的一個操作實施例將詳述於後。下述實施例的特徵在於反射交換層，當反射交換層的溫度提高時，反射交換層反射較少能量。

當雷射脈衝傳播通過光學閥100時，少量能量被吸收層104吸收，少量能量由反射交換層102反射，大部分能量則傳遞到基板上。基板表面的光吸收性通常不均勻。基板的某些區域會較其他區域吸收更少能量及反射更多能量。少吸收區將一數量之未吸收的雷射能量反射回光學閥100。此數量之能量加熱吸收層104的某些部分，致使該部分的吸收層104的溫度提高。已加熱吸收層104進而加熱反射交換層102，導致反射交換層102的溫度提高。反射交換層102設計成峰值光譜反射率會隨溫度變化而偏移。在此實施例中，峰值光譜反射率改變能使更多雷射能抵達少吸收區，以部分補償基板各處的吸收性變異。在另一個實施例中，其中期保護形成於基板上的熱敏裝置，峰值光譜反射率改變能使更少雷射能抵達少吸收區，以減少熱能接觸該等區域。

在一些實施例中，光學閥100近鄰聚焦到基板上。 換言之，光學閥100近鄰聚焦到鄰接基板支撐件210的平面。在此情況下，基板與光學閥100分開小間隙。基板與光學閥100間的最大間隙取決於基板的熱擴散距離與雷射光學元件的數值孔徑。通常，光學閥100盡可能設置靠近基板，使從基板反射回的雷射能不會明顯散焦。在另一個實施例中，光學閥併入孔徑構件216。第3A圖至第3C圖圖示此孔徑構件。第3A圖係具有所述光學閥100的孔徑構件300的側視圖。孔徑構件300具有第一構件302，第一構件可實質讓選定能量形式穿透，例如具選定波長的光或雷射輻射。能量阻斷構件304可為不透明或具反射性，且形成在第一構件302的部分表面上，以定義開口308供能量依開口308的形狀通過。第二構件306設在第一構件302與能量阻斷構件304上而覆蓋開口308。第二構件306亦可實質讓待透射通過孔徑構件300的能量穿透，且可和第一構件302的材料一樣。孔徑構件300的邊緣由覆蓋層310圍住，以確保微粒不會進入開口308。

孔徑構件300可設置使能量阻斷構件304位於入射到孔徑構件300上的能量焦面312，以確保精確截斷能場。由於開口308設於能量焦面312，故在此實施例中，在如第一構件302表面上的開口收集的任何微粒將會在透射能場投射陰影，導致基板處理不均勻。用第二構件306覆蓋開口308及圍住孔徑構件300的邊緣，可確保附著於孔徑構件300的任何微粒離焦面312夠遠而在最終能場失焦，以減小微粒陰影所造成的最終能場強度變異。

第一構件302和第二構件306一般由相同材料製 成，通常為玻璃或石英。第一構件302和第二構件306亦可為常用於保護光罩的表層膜，且通常由很薄的聚合物膜製成，通常為硝化纖維素或Teflon®。能量阻斷構件304可為不透明或反射材料，例如金屬、反射陶瓷或介電鏡。能量阻斷構件304可形成並整形，經形成並整形的能量阻斷構件304藉由直接接觸而施用於第一構件302，或由物理氣相沉積(PVD)技術直接形成，PVD常用於光學產業來形成強健薄膜。或者，能量阻斷構件304可沉積在第一構件302上，接著蝕刻提供開口308。通常係利用高能光學產業常見技術，例如直接接合、氣隙或UV固化環氧樹脂，將第二構件306施用於能量阻斷構件304。

覆蓋層310應形成氣密密封，以防止膜因濕氣而降解。覆蓋層可為黏結劑或使用黏結劑施加的硬材料。或者，若適當，則覆蓋層可藉由使第一構件302和第二構件306的邊緣與能量阻斷件304的邊緣熔化-熔融而形成。

為管理孔徑構件300的折射效應，開口308的側壁(由能量阻斷件304的內緣314定義)可為錐形、有角或傾斜，以匹配出自均質器208的光子傳播方向。

光學閥316可設在開口308。光學閥316可和第1圖所示光學閥100一樣。光學閥316可與焦面312共平面。光學閥316可置於其他位置的孔徑構件中。在第3B圖的實施例中，光學閥316取代第二構件306。故除提供更均勻加熱外，孔徑構件320中的光學閥316亦有助於阻擋污染物進入開口308。在另一個實施例中，如第3C圖所示，光學閥316 取代孔徑構件322中的第一構件302。

第4圖係根據本發明一個實施例的處理程序400。處理程序400乃進行以減低上述圖案效應。在步驟402中，將雷射脈衝引導通過光學閥而至基板的表面上。雷射脈衝可由任何能形成短脈衝的雷射類型傳送，雷射脈衝的能含量可為約100mJ至約10J，持續時間為約1ns至約100微秒。雷射的波長可為約200nm至約2000nm，例如約400nm至約1000nm，例如約532nm。傳送到基板的雷射脈衝可為多個雷射脈衝結合。

接著在步驟404中，依據基板表面的區域吸收性，將一數量之能量反射回及重新成像於光學閥上。在多吸收區，很少能量反射回對應部分。在少吸收區，反射回的該數量之能量能加熱光學閥的對應部分而達更高溫度。在步驟406中，溫度提高會改變光學閥的反射率，使更多能量抵達基板表面的少吸收區。如此，可利用雷射能來均勻加熱具不均勻光吸收性的基板。或者，若熱敏裝置位於少吸收區，則可增加光學閥的反射率，以防止更多雷射能抵達裝置。

在雷射熱處理期間，光學閥可用於調節基板的能量吸收。可依據溫度改變光學閥的反射率，從而使更多或更少的雷射能通過光學閥而至基板上。光學閥可設在位於雷射源與基板間的孔徑構件中。操作時，傳送到基板的能量數量由光學閥控制，使更多能量傳送到少吸收區。如此可大大減低圖案效應。

雖然以上係描述脈衝式雷射系統，但所述技術亦可 應用或配合連續式雷射系統使用，其中雷射光掃過基板(或者基板在雷射光底下移動)以處理整個基板表面。常見方式為使雷射光成像成點、線或細矩形圖像，及藉由重疊處理區域以拼接掃描區域。

雖然以上係針對本發明實施例說明，但在不脫離本發明基本範圍的情況下，當可策劃本發明的其他和進一步實施例，因此本發明範圍視後附申請專利範圍所界定者為準。

Claims (17)

1. 一種用於熱處理一基板的設備，該設備包含一光學閥，該光學閥包含：一熱浴層，該熱浴層包含氧化鋁；一熱阻層，該熱阻層接觸該熱浴層；一吸收層；以及一反射交換層。
2. 如請求項1所述之設備，其中該熱阻層包含氧化矽。
3. 如請求項2所述之設備，其中該吸收層包含一金屬。
4. 如請求項3所述之設備，其中該反射交換層包含一介電堆疊，該介電堆疊包括多個介電材料子層，其中該介電材料包括氧化鈦或氧化鉭。
5. 如請求項1所述之設備，其中該熱阻層具有一熱阻值，用以控制該反射交換層的一溫度。
6. 一種設備，包含：一基板支撐件；一電磁能源，該電磁能源可操作以產生一電磁能脈衝朝該基板支撐件傳播；以及一光學系統位在該電磁能源與該基板支撐件之間，其中 該光學系統包含一光學閥，其中該光學閥包含：一反射交換層面向該基板支撐件；一吸收層位在該反射交換層之上；一熱阻層位在該吸收層之上；及一熱浴層位在該熱阻層之上，其中該熱浴層面向該電磁能源。
7. 如請求項6所述之設備，其中該熱阻層包含氧化矽。
8. 如請求項7所述之設備，其中該吸收層包含一金屬。
9. 如請求項6所述之設備，其中該反射交換層包含氧化鈦或氧化鉭，且在不同於該電磁能波長的一波長下具有一峰值反射率，其中該反射交換層的該峰值反射率的該波長會隨該反射交換層的一溫度提高而改變。
10. 如請求項6所述之設備，其中該熱浴層包含多層。
11. 如請求項6所述之設備，其中該光學系統進一步包含一孔徑構件，該孔徑構件耦接於該光學閥，其中該光學閥與該孔徑構件的一焦面共平面。
12. 如請求項6所述之設備，其中該光學閥聚焦到鄰接該基板支撐件的一平面。
13. 一種用於熱處理一基板的方法，該方法包含以下步驟：將一雷射脈衝引導通過一光學閥而至該基板的一表面上，其中該表面具有多光能吸收區和少光能吸收區；當該雷射脈衝傳送到該少光能吸收區時，使一數量之能量反射回該光學閥；以及當該光學閥的一溫度因反射的該數量之能量而提高時，改變該光學閥的一反射率。
14. 如請求項13所述之方法，其中該光學閥的該反射率降低。
15. 如請求項14所述之方法，進一步包含以下步驟：容許更多能量通過該光學閥並抵達該少光能吸收區。
16. 如請求項13所述之方法，其中該光學閥的該反射率增加。
17. 如請求項13所述之方法，其中該光學閥包含：一熱浴層；一熱阻層；一吸收層；以及一反射交換層。