一種激光退火裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種邏輯器件的超淺結(jié)退火領(lǐng)域，尤其涉及一種激光退火裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 快速熱處理（RTP)、閃光燈退火和激光退火（LSA)都在努力實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體退火的最 優(yōu)化。其中，LSA只在很短的時(shí)間內(nèi)在較小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生熱量，其溫度正好低于硅的熔點(diǎn)， 冷卻時(shí)間也是在很短時(shí)間內(nèi)完成，整體駐留時(shí)間僅僅幾百微秒，是更有效的無擴(kuò)散工藝。根 據(jù)應(yīng)用需求，半導(dǎo)體器件的退火工藝需要更精確的溫度控制和更佳溫度及應(yīng)力均勻性，通 常是通過降低硅基底晶體內(nèi)的熱梯度，從而減小晶格間的熱應(yīng)力。例如邏輯器件超淺結(jié) USJ退火中，為了增大樣品對(duì)二氧化碳激光能量的吸收，需要先在工件臺(tái)上將樣品加熱到 400°C，之后有一個(gè)預(yù)熱階段，目的是為了減小溫度驟升引起的應(yīng)力問題，將溫度由400 °C預(yù) 熱到80(T1100 °C，真正的退火過程溫度要升高到1300 °C，經(jīng)過一定的駐留時(shí)間，再以一定 的速率冷卻。可以看出，整個(gè)退火周期包括預(yù)熱（80(Tl100 °C)，退火（1300 °C)和冷卻時(shí) 間，約為10微秒，中間的瞬間高溫的退火時(shí)間要小于熱擴(kuò)散時(shí)間，時(shí)間較短，根據(jù)具體工藝 需求為ns納秒或us微秒量級(jí)。
[0003] 目前，為了達(dá)到上述的半導(dǎo)體器件退火溫度需求，退火處理會(huì)選擇DB-LSA(雙激光 器組合退火的）方式(裝置如附圖1所示，1為高功率激光器，27為預(yù)熱激光器)。將高溫退 火激光器和低溫預(yù)熱激光器結(jié)合，形成附圖4所示的光斑形貌對(duì)樣品進(jìn)行掃描退火。通過 低功率預(yù)熱激光器進(jìn)行預(yù)熱，中間的高功率激光器進(jìn)行瞬間的退火，雖然可以達(dá)到較好的 退火效果，但是這樣無疑增大了工藝成本及復(fù)雜度，因?yàn)樾枰獌蓚€(gè)熱源，并要對(duì)兩束光斑進(jìn) 行組合和定位，并要在加熱過程中保證兩個(gè)激光器運(yùn)動(dòng)上的同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供可用于各類半導(dǎo)體器件退火的激光退火裝置及方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種激光退火裝置，包括：一工件臺(tái)，用于承 載一硅片；一激光光源，用于提供一退火激光光束；一光束整形單元，用于將所述激光光束 入射至所述硅片，所述光束整形單元還包括一微鏡陣列，用于對(duì)激光光束的功率在空間上 進(jìn)行重新分布。
[0006] 更進(jìn)一步地，所述對(duì)激光光束的功率在空間上進(jìn)行重新分布具體為，在所述硅片 表面形成一光斑，調(diào)節(jié)所述微鏡陣列使得所述光斑由位于光斑中心的第一功率區(qū)和分別位 于所述第一功率區(qū)兩邊的第二功率區(qū)和第三功率區(qū)組成。所述第一功率區(qū)的光功率密度大 于所述第二功率區(qū)和第三功率區(qū)的光功率密度。所述第二功率區(qū)和第三功率區(qū)的光功率密 度不相等。所述第二功率區(qū)和第三功率區(qū)的寬度大于所述第一功率區(qū)的寬度，所述第一功 率區(qū)、第二功率區(qū)和第三功率區(qū)的長度相等。
[0007] 更進(jìn)一步地，該光束整形單元按照光束傳播的方向依次包括一匯聚透鏡、一前組 透鏡、所述微鏡陣列以及一后組透鏡。
[0008] 更進(jìn)一步地，所述工件臺(tái)還包括一加熱平臺(tái)，所述硅片被放置于所述加熱平臺(tái)上。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述微鏡陣列由若干個(gè)光學(xué)反射鏡面和外框組成，所述光學(xué)反射鏡 面和外框可分別沿相互垂直的兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0010] 本發(fā)明同時(shí)公開一種激光退火方法，包括：所述激光光束入射所述硅片，調(diào)節(jié)所述 微鏡陣列在所述硅片表面形成所述光斑；所述光斑和工件臺(tái)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，所述第三功率 區(qū)到達(dá)硅片上一掃描區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，隨著相對(duì)移動(dòng)的繼續(xù)，第一功率區(qū)到達(dá)所述掃描區(qū)域 進(jìn)行退火，最后第二功率區(qū)到達(dá)所述掃描區(qū)域進(jìn)行保溫。
[0011] 更進(jìn)一步地，所述激光光束入射至所述硅片前，通過一加熱平臺(tái)對(duì)所述硅片進(jìn)行 加熱。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明將原來需要兩個(gè)激光光源疊加才能獲得的退火效果用 一個(gè)激光光源實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化激光退火工藝中的溫度控制技術(shù)問題。本發(fā)明所提供的激光退火 裝置及方法，提出了先進(jìn)的光斑整形技術(shù)，對(duì)高功率連續(xù)激光器進(jìn)行光束整形，通過建立功 率的空間分布和溫度的時(shí)間分布的關(guān)系，通過對(duì)激光束空間分布的調(diào)節(jié)來控制退火過程中 的溫度，改進(jìn)了現(xiàn)有的兩激光器組和得到退火光斑的方法，提高了工藝適應(yīng)性，降低了成 本。本發(fā)明所獲得的光斑達(dá)到了兩個(gè)激光源（Preheat+LSA)的疊加效果，可以控制退火溫 度上升和下降的速率，減小溫度驟變引發(fā)的應(yīng)力問題。由于微鏡陣列整形的靈活性，有利于 光斑的實(shí)時(shí)調(diào)整，可以靈活調(diào)整對(duì)應(yīng)變產(chǎn)生直接影響的工藝參數(shù)，包括溫度、退火時(shí)間（光 斑y向尺寸)。
【附圖說明】
[0013] 關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了 解。
[0014] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中所使用的雙激光退火裝置的原理示意圖； 圖2是本發(fā)明所涉及的雙激光退火裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明所涉及的雙激光退火裝置的退火過程中的溫度隨時(shí)間的變化示意圖； 圖4是現(xiàn)有技術(shù)中所使用的雙激光器組合退火裝置的光斑形貌示意圖； 圖5是整個(gè)光斑的空間功率分布示意圖； 圖6是光斑的功率分布情況示意圖； 圖7是光束整形元件微鏡陣列的示意圖； 圖8是現(xiàn)有技術(shù)中所使用的雙激光器組合退火裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0016] 本發(fā)明的目的希望提供一種激光退火裝置，可用于各類半導(dǎo)體器件的退火。為了 得到如圖4中所示的光斑，本發(fā)明提供了一種更為先進(jìn)的光斑整形技術(shù)，對(duì)高功率連續(xù)激 光器進(jìn)行光束整形，改進(jìn)了現(xiàn)有的兩激光器組和得到退火光斑的方法。
[0017] 本發(fā)明所提供的激光退火裝置如圖2中所示。該激光退火裝置包括：一個(gè)高功率 激光器1，最大輸出功率為4000W(具體的溫度數(shù)值是以USJ退火為例說明的)。激光器輸出 光束2,光束2經(jīng)過光學(xué)匯聚透鏡3,匯聚在前組透鏡4的焦點(diǎn)處，經(jīng)過前組透鏡4形成平行 光束，照射在光學(xué)元件5表面。光學(xué)元件5為可對(duì)光束進(jìn)行功率重新分布的元件，較佳地， 如圖7所示，該光學(xué)元件5為可進(jìn)行雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微鏡陣列，在不損失光功率的前提下，通過 對(duì)每個(gè)單元的微小透鏡的轉(zhuǎn)角傾斜控制來調(diào)整微鏡對(duì)光束的反射情況，從而可以形成光強(qiáng) 或者光功率任意分布的光斑。經(jīng)微鏡陣列5反射的光束通過后組透鏡6匯聚為光斑9,在需 要退火的硅片17表面上，光束以布魯斯特角入射，可減小反射引起的能量損耗，以減小退 火中的圖案效應(yīng)。退火過程中，光斑和工件臺(tái)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。較佳地，光斑保持不動(dòng)，光束 為靜止的，由工件臺(tái)帶動(dòng)娃片17在y方向移動(dòng)，以及在X方向步進(jìn)，如附圖5所示的退火路 徑。