一種激光退火裝置及激光退火方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種激光退火裝置，包括：一激光光束發(fā)生模塊，用于提供一穩(wěn)定的單脈沖激光；一循環(huán)延時裝置，用于將該單脈沖激光分解為若干子脈沖激光；一光學模塊，用于將該子脈沖激光匯聚至一基底上；一運動臺，用于為該基底提供至少一個自由度的位移。本發(fā)明同時公開一種激光退火方法。
【專利說明】一種激光退火裝置及激光退火方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用于半導體材料加工【技術領域】，尤其涉及一種激光退火裝置及激光退火方法。
【背景技術】
[0002]退火處理，主要是指將材料曝露于高溫一段很長時間后，然后再慢慢冷卻的熱處理制程。傳統的爐子加熱退火，即使在高達1100度下退火，仍不能徹底消除結晶缺陷。激光退火則能比較徹底地消除缺陷。半導體激光退火使用的光譜波長范圍很寬，從UV (紫外)到IR (紅外)波段的激光器都有。工作方式也多種多樣，如美國專利US6336308和US7365285中所公開的單脈沖激光退火，高頻率Q開關脈沖激光退火，連接波激光掃描退火，同波長雙激光掃描退火，不同波長雙激光掃描退火等。
[0003]如文獻Silicon laser annealing by a two-pulse laser system with variablepulse offsets, V.Gonfaj etc,Laser Annealing of double implanted layers for igbtpower devices, Clement Sabatier，etc 以及文獻UL Dual beam laser spike annealingtechnology都有提到雙激光退火的激活效果比單激光退火好。如上文所示，雙激光有兩種，一種是同一波長的兩個脈沖不同時間福射到娃平面(如文獻Silicon laser annealingby a two-pulse laser system with variable pulse offsets, V.Gonfa, etc 以及文獻 Laser Annealing of double implanted layers for igbt power devices, ClementSabatier, etc中公開的內容所示)，另外一種是采用長波的連續(xù)激光或脈沖激光進行預熱，然后再用短波進一步退火(如文獻UL Dual beam laser spike annealing technology所示)。目前雙激光方式的激光退火裝置已經在行業(yè)中開始應用于IGBT、TFT等領域。
[0004]現有技術中Liquid Phase Reflectivtity under Conditions of Laser InducedSilicon Melting中所介紹:激光退火過程中，當娃表面融熔后,表面液態(tài)娃是原來固態(tài)娃的反射率的2倍，此時激光脈沖的激光能量被大量反射出去，而不被硅吸收，降低了激光能量利用率，影響了退火效果。
[0005]該影響對單激光退火或雙激光退火都存在。如果拉長雙脈沖激光的延時，則有的時間溫度過低，達不到退火要求(比如高于1300度的時間大于50ns)。在很多應用中，不一定需要達到熔點1414度附近即可達到退火效果(如現有技術中的文獻Sub-Melt LaserAnnealing Followed by Low-Temperature RTP for Minimized Diffusion,S.B.Felch,D.E Downey, and E.A.Arevalo Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc.81 I Hansen Way, Palo Alto, CA 94303-0750 USA所示)，比如太陽能退火(如現有技術中的文獻 PULSED LASER ANNEALING AND RAPID THERMAL ANNEALING OF COPPER-1 ND IUM-GALLIUM-DISELENIDE-BASED THIN-FILM SOLAR CELLS 所示)。
[0006]無論是單脈沖激光還是雙脈沖激光，當溫度超過熔點，吸收率減半，降低了能量利用率。此外，以上兩種方案都有可能引起溫度超過激活退火所需溫度(比如1100度，激活效率90%以上)的時間較短(比 如小于100ns)，從而影響了退火效果。如何提高能量利用率，并改善退火效果，成為激光退火中需要改進的重要問題。
[0007]有鑒于此，本發(fā)明提出一種激光退火裝置，能將單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份激光脈沖，在這些激光脈沖的連續(xù)輻照下，能使得退火期間硅片表面溫度能更長時間保持在熔點附近或所需退火溫度附近，從而提高了激光能量利用率，進而改善退火效果。

【發(fā)明內容】

[0008]為了克服現有技術中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種新的激光退火裝置，能將單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份激光脈沖。
[0009]為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開一種激光退火裝置，包括:一激光光束發(fā)生模塊，用
于提供一穩(wěn)定的單脈沖激光；一循環(huán)延時裝置，用于將該單脈沖激光分解為若干子脈沖激光；一光學模塊，用于將該子脈沖激光匯聚至一基底上；一運動臺，用于為該基底提供至少一個自由度的位移。
[0010]更進一步地，該循環(huán)延時裝置至少包括一延時器、一分光鏡組以及一內部控制模塊，所述內部控制模塊用于控制延時器的延時以及分光鏡組的分光比例。該循環(huán)延時裝置還包括若干光纖，用于在該分光鏡組與該延時器之間傳遞激光。該延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節(jié)的出射端和接收端。該出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者一出射反射鏡和一接收反射鏡。該內部控制模塊用于調節(jié)所述出射端和接收端的角度或位置，以控制所述延時器的延時。該分光鏡組包括若干個透射率不同的分光鏡以及一轉軸，所述內部控制模塊驅動所述轉軸改變所選用的分光鏡，以控制所述分光鏡組的分光比例。該若干分光鏡到該轉軸的距離相等。還包括一主控制器，與所述內部控制器連接，用于發(fā)送延時指令及分光比例指令給所述內部控制器。
[0011]本發(fā)明同時公開一種激光退火方法，包括:提供一穩(wěn)定的單脈沖激光，使該單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份子激光脈沖，利用該子激光脈沖連續(xù)輻照該基底，使所不基底的表面溫度穩(wěn)定于一預定范圍內。
[0012]更進一步地，該使該單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份子激光脈沖具體包括:a)根據一設定的分光比例選擇一分光鏡；b)將所述單脈沖激光分經過所述分光鏡后被分為兩束，其中一束直接用于福照所述基底，另一束進入一延時器延時后出射；c)所述延時器的出射光束再次經過所述分光鏡被分為兩束，其中一束用于輻照所述基底，另一束再次進入所述延時器延時后出射；d)重復步驟b、c或重復步驟a、b、C。
[0013]更進一步地，該延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節(jié)的出射端和接收端。調節(jié)所述出射端及接收端的角度或位置可調節(jié)所述延時器的延時時間。該出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者一出射反射鏡和一接收反射鏡。
[0014]與現有技術相比較，本發(fā)明所公開的激光退火裝置，能將單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份激光脈沖，在這些激光脈沖的連續(xù)輻照下，能使得退火期間硅片表面溫度能更長時間保持在熔點附近或所需退火溫度附近，從而提高了激光能量利用率，進而改善退火效果?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0015]關于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進一步的了解。
[0016]圖1是本發(fā)明所涉及的激光退火裝置的整體結構示意圖；
圖2是本發(fā)明所涉及的激光退火裝置的循環(huán)延時裝置的第一實施方式的結構示意圖； 圖3是本發(fā)明所涉及的激光退火裝置的循環(huán)延時裝置的第二實施方式的結構示意圖； 圖4是本發(fā)明所涉及的循環(huán)延時裝置的分光鏡組結構示意圖；
圖5是本發(fā)明所涉及的循環(huán)延時裝置內脈沖光強示意圖；
圖6是本發(fā)明所涉及的循環(huán)延時裝置內脈沖光強的能量分布示意圖；
圖7是本發(fā)明所涉及的基底表面接收的退火激光脈沖相對光強示意圖；
圖8是本發(fā)明所涉及的基底表面溫度示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施例。
[0018]本發(fā)明提出一種激光退火裝置，能將單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份激光脈沖，在這些激光脈沖的連續(xù)輻照下，能使得退火期間硅片表面溫度能更長時間保持在熔點附近或所需退火溫度附近，從而提高了激光能量利用率，進而改善退火效果。
[0019]如圖1中所示，圖1是本發(fā)明所涉及的激光退火裝置的整體結構示意圖。本實施例技術方案包括激光器100、光強調節(jié)器101、勻光器203、運動臺500、控制器600，還包括了循環(huán)延時裝置300，其中循環(huán)延時裝置300用于將激光的單個脈沖分解為若干子脈沖。于本實施例中，控制器600為主控制器，用于發(fā)出延時指令及分光比例指令，循壞裝置300內部的控制器根據主控制器發(fā)出的指令控制循環(huán)延時裝置發(fā)出的若干子脈沖之間的延時以及循環(huán)延時裝置的分光比例(即能量比例)。
[0020]如圖1中所示，圖1中所示出的激光退火裝置整體結構還包括對激光器100的出射激光進行調整的光學裝置和控制裝置，如激光器100的出射激光經過一光強調節(jié)器101，經過光強調節(jié)器101調節(jié)后的激光光束經過一分光鏡102后激光光束的大部分進入循環(huán)延時裝置300，另一部分進入一能量探測器105。能量探測器105探測此時激光能量，并將探測結果輸入至一激光器控制器104。與此同時，一環(huán)境控制單元103探測此時激光器100的工作環(huán)境，如溫度，并將此時探測結果一并返回至激光器控制器104。激光器控制器104根據環(huán)境控制單元103和能量探測器105的輸出結果控制激光器100工作。
[0021]循環(huán)延時裝置300具體包括延時器301、分光鏡組302、內部控制器、若干光纖，其中延時器301可根據需要調整脈沖的延時時間，而分光鏡組302可調整分光比例。經過分光鏡組302輸入的激光光束由原來的單個脈沖被分解為若干子脈沖。若干子脈沖經過一擴束器206后進入一勻光器203。子脈沖從勻光器203出射后再次經過一分光鏡207后一部分子脈沖進入焦面探測器201，另一部分經過一聚焦鏡組202后匯聚在基底204上。
[0022]基底204即待退火的半導體或其他材料，基底204被放置于一運動臺500上。該運動臺500可以沿若干個自由度運動。
[0023]如圖2為本實施例循環(huán)延時裝置的第一種實施方式的結構示意圖。該結構包括延時器301、分光鏡組302、內部控制器307、若干光纖310。[0024]其中如圖2中所示，延時器301包括兩面反射鏡304、305、出射頭306、接收頭303。反射鏡304和反射鏡305鏡面平行放置。出射頭306的角度可調整，接收頭303的位置可調整，且調整的角度由內部控制器307所控制。若出射頭306的光出射角度為Θ，兩面反射鏡304、305距離為L，高度為H，延時器以外循環(huán)延時裝置中的光程為L0，則光束每在循環(huán)延
時裝置中循環(huán)一周的光程為
【權利要求】
1.一種激光退火裝置，其特征在于，包括: 一激光光束發(fā)生模塊，用于提供一穩(wěn)定的單脈沖激光； 一循環(huán)延時裝置，用于將所述單脈沖激光分解為若干子脈沖激光； 一光學模塊，用于將所述子脈沖激光匯聚至一基底上； 一運動臺，用于為所述基底提供至少一個自由度的位移。
2.如權利要求1所述的激光退火裝置，其特征在于，所述循環(huán)延時裝置至少包括一延時器、一分光鏡組以及一內部控制模塊，所述內部控制模塊用于控制延時器的延時以及分光鏡組的分光比例。
3.如權利要求2所述的激光退火裝置，其特征在于，所述循環(huán)延時裝置還包括若干光纖，用于在所述分光鏡組與所述延時器之間傳遞激光。
4.如權利要求2所述的激光退火裝置，其特征在于，所述延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節(jié)的出射端和接收端。
5.如權利要求4所述的激光退火裝置，其特征在于，所述出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者一出射反射鏡和一接收反射鏡。
6.如權利要求4所述的激光退火裝置，其特征在于，所述內部控制模塊用于調節(jié)所述出射端和接收端的角度或位置，以控制所述延時器的延時。
7.如權利要求2所述的激光退火裝置，其特征在于，所述分光鏡組包括若干個透射率不同的分光鏡以及一轉軸，所述內部控制模塊驅動所述轉軸改變所選用的分光鏡，以控制所述分光鏡組的分光比例?！?br> 8.如權利要求7所述的激光退火裝置，其特征在于，所述若干分光鏡到所述轉軸的距離相等。
9.如權利要求2所述的激光退火裝置，其特征在于還包括一主控制器，與所述內部控制器連接，用于發(fā)送延時指令及分光比例指令給所述內部控制器。
10.一種激光退火方法，其特征在于，包括:提供一穩(wěn)定的單脈沖激光，使所述單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份子激光脈沖，利用所述子激光脈沖連續(xù)輻照所述基底，使所不基底的表面溫度穩(wěn)定于一預定范圍內。
11.如權利要求10所述的激光退火方法，其特征在于，所述使所述單脈沖激光按延時需要和能量比例分解為若干份子激光脈沖具體包括: a)根據一設定的分光比例選擇一分光鏡； b)將所述單脈沖激光分經過所述分光鏡后被分為兩束，其中一束直接用于輻照所述基底，另一束進入一延時器延時后出射； c)所述延時器的出射光束再次經過所述分光鏡被分為兩束，其中一束用于輻照所述基底，另一束再次進入所述延時器延時后出射； d)重復步驟b、c或重復步驟a、b、C。
12.如權利要求11所述的激光退火方法，其特征在于，所述延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節(jié)的出射端和接收端。
13.如權利要求12所述的激光退火方法，其特征在于，調節(jié)所述出射端及接收端的角度或位置可調節(jié)所述延時器的延時時間。
14.如權利要求12所述的激光退火方法，其特征在于，所述出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者·一出射反射鏡和一接收反射鏡。
【文檔編號】H01L21/268GK103578943SQ201210258008
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月25日 優(yōu)先權日:2012年7月25日
【發(fā)明者】張俊, 李志丹, 李喆 申請人:上海微電子裝備有限公司