用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描及控制方式的製作方法

2024-01-28 23:51:15

專利名稱：用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描及控制方式的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體製造設備範圍，特別涉及一種用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描及其控制方式。
背景技術：
雷射退火技術已廣泛用於半導體材料的加工處理，例如雷射退火，雷射輔助薄膜沉積，雷射再結晶應用等等。雷射加工中，由於束斑尺寸的限制，如果要對整個晶圓片進行退火，就必須使雷射束與晶圓片之間形成相對的運動，這樣隨著處理時間的推移，雷射束將移動和覆蓋滿整個的晶圓片表面，這樣才能夠完成晶圓片整片的加工處理。因為要求雷射束斑一塊一塊地逐步覆蓋整個晶圓片的表面積，對於雷射束斑之間的銜接提出了很高的要求。例如，要求下一掃描行的上端，要緊鄰上一掃描行的下端，在兩行雷射掃描束的痕跡之間，既不允許有重疊，也不允許有漏空(掃描不到的地方)。假如是發生了上述的情況，則晶圓片表面總是存在雷射作用了兩遍，或者雷射完全沒有作用到的地方，鑑於現代集成電路技術，在很小的晶圓片表面積上能夠集成地製作出很多電晶體器件，因此哪怕是很小一點的異常作用面積，也會導致多個器件性能與其他正常退火的器件不一致，造成雷射退火工藝失效。處理雷射掃描行之間的銜接問題，可採用如下一些方法。例如，令雷射束邊沿處的光強在很短尺度內迅速下降至零，也就是造成銳利的雷射束斑邊沿，然後兩掃描行之間，通過精確的位置控制而實現理想的銜接。另一種方案是利用晶片之間的劃片道，令掃描行銜接處不容易控制的部分，剛好處於劃片道區域，因而迴避掉控制不良的問題。此外，採用面積線性下降的束斑，例如梯形的、六角形的束斑等，也可以改善銜接控制的問題。無論是上述何種方法，要麼兩掃描行之間密接而不相重疊的，要麼允許一定的重疊量，但重疊區域的尺度很小，都反映的是傳統的行掃描概念。本發明提出了另外一種思路，令兩掃描行大尺度重疊，例如，重疊量可達90 %，通過提高掃描行重疊率的方法來實現加工效果的均勻性，這種高重疊率，已經脫離了傳統概念中的逐行掃描的模式，成為了一種雷射束運動控制的新穎的方式。在另外一方面，相應的掃描控制技術也較傳統掃描有大的差別，而掃描控制本身更加有效。

發明內容
本發明提出一種用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描方法，其特徵在於，經過擴束、勻束、光束整形處理後的一定形狀的雷射束斑，相對於晶圓片做掃描動作，包括採用晶圓片平移而雷射束不動的方式進行，或採用雷射束平移而晶圓片不動的方式來進行；若採用移動片臺，由片臺載著晶圓片做掃描的移動，形成兩行之間的高重疊率，即通過片臺在從左到右掃描完一行後，然後從右到左掃描下一行，在片臺左右做掃描的同時，也保持縱向的前後連續移動，且控制兩掃描行的間隔為光束束斑長度的1/10或者更小一些，如此連續地進行；若採用經過處理後的雷射束斑移動，在晶圓片表面一行行地掃描，進而完成對於晶圓片整片的加工處理，第一行掃描束斑與第二行掃描束斑之間形成90%以上的區域重疊率，從而實現高行重疊率的掃描方式；所述高行重疊率，在假定掃描行的重疊率為90%的情況下，晶圓片上的某點經歷了 10個完整束斑的掃描，而片上另外一點只是經歷了 9個完整束斑的掃描，兩者之間最大的誤差是10%。所述晶圓片上的每一個點所經歷的雷射掃描處理的過程是相同的，或接近於相同，因而雷射加工處理的效果是均勻的。所述高行重疊率的掃描方式採取Y方向一直平穩運行的方式，也就是令動作機構在X方向上做左右的連續性的掃描，而與此同時，在Y方向上執行勻速運動；這裡，Y方向動作機構需要承載片臺和X方向的動作機構，所以是重載的運動部件；通過令Y方向執行勻速的運動，減少了傳統控制中Y方向運動的頻繁的啟動/停止，就非常有利於總體上的片臺位置控制；若Y方向的運動取變速度運行，只要速度的變化是緩慢、連續的，並且變化量不很大，則相較於傳統方案，在精確位置控制方面，仍舊具有優勢。所述Y方向的運動在考慮晶圓片為圓形的情況下，在晶圓片的上端和下端，X方向的掃描的行程是比較小的，不需要達到晶圓片直徑的程度，在這種情況下，如果行間距及行重疊率保持不變，那麼Y方向的運行，在掃描晶圓片的上端和下端時，速度是比較快一些的，而在掃描晶圓片中部時，X掃描行程略大於晶圓片的直徑，Y方向運行速度下降至最小值；在電腦程式控制下進行控制；其中，Y方向的勻速運動的速度V，由X方向掃描完一整行的總時間t，含掃描和一側掉頭的時間，和用戶設定的行距h決定，V = h/t，此時，行重疊率與束斑長度W有關，行重疊率=(l-h/W)%。本發明的有益效果是，取一定長度的特定形狀的雷射束斑，在束斑寬度的方向上進行掃描並逐行加工處理晶圓片。連續兩行之間的間距遠小於束斑的長度，也就是形成了高重疊率的掃描運行，採用這樣的掃描方式，可以在不變更雷射加工處理設備其他部件，不對其他部件提更高技術指標要求的情況下，極大地提高雷射加工處理的片內均勻性。此外， 由於允許掃描機構中的重載部件以勻速度運行，可提高位置控制精度，改善掃描運動控制的效果。


圖1為兩行束斑大面積重疊的情況；圖2為顯示了對應於片上不同點的掃描線；圖3為傳統的掃描控制方案中，X、Y方向的位置隨時間的變化；圖4為本發明掃描控制方案中，X、Y方向的位置隨時間的變化。圖中，1.是第一行掃描的束斑；2.是第二行掃描的束斑；3.是兩掃描行束斑相重疊的區域；
具體實施例方式本發明提出一種用於半導體雷射加工中的高行重疊率的光束掃描方式，以及在高行重疊率方法中更加有效的掃描運動的控制措施。經過擴束、勻束、光束整形處理後，得到一定形狀的雷射束斑。令這樣的雷射束斑相對於晶圓片做掃描動作，既可以採用晶圓片平移而雷射束不動的方式進行，也可以採用雷射束平移而晶圓片不動的方式來進行。舉例來說，可以採用移動片臺，由片臺載著晶圓片做掃描的移動。對於本發明特殊的掃描運動而言，主要是要形成兩行之間的高重疊率，舉例來說，可以通過片臺在從左到右掃描完一行後，然後從右到左掃描下一行，在片臺左右做掃描的同時，也保持縱向的連續移動，且控制兩掃描行的間隔為光束束斑長度的1/10或者更小一些，如此連續地進行。假定掃描行的重疊率是90%，在最差情況下，無非是片上的某點經歷了 10個完整束斑的掃描，而片上另外一點只是經歷了 9個完整束斑的掃描，兩者之間最大的誤差是10%。也可以從另一個角度來考察工藝作用均勻性的情況。對於晶圓片上的一個點，雷射束不斷掃描通過該點處，對該點進行加工處理。由於運動的相對性，也可以看成是該點運動通過雷射束斑。所述雷射束斑在晶圓片上的一點一點地移動，通過片臺在從左到右掃描完一行(圖2中實線)，然後從右到左掃描下一行(圖2中虛線)，形成一系列的掃描線。如果束斑光強是均勻的，那麼對於晶圓片上某點的作用量，將與掃描線落在束斑以內的線長成比例，從圖2中可以看出，對於兩個晶圓片上的點，其作用量可以做到近似相等。對於片上的所有點，情形均是如此。高行重疊率的掃描方式，在保障雷射作用均勻性的前提下，更為重要的優點，體現在掃描控制方面。就精密工件臺的運動控制而言，最難處理的是運動方向折轉180度，掉頭行進，這個過程既涉及平穩運動的減速，又涉及運動從0速度開始的加速，和加速到某特定值後的穩速。對於傳統的掃描來說，採用的是蛇形行進，其X，Y方向的位置隨時間變化的情況， 如圖3(A、B、C)所示。圖3中，特別需要注意，Y方向的運動有很多啟停，會存在位置過衝及位置控制的不穩定性，這是傳統掃描方式的問題。與傳統形式不同，在本發明中，採取的是Y方向一直平穩運行的方式，X，Y方向的位置隨時間變化的情況，如圖4(A、B、C)所示。由於Y方向動作機構既要承載片臺，還要承載X方向的動作機構，屬於重載運動部件，所以Y方向的這種平穩的勻速運動，是非常有利於總體上的片臺位置控制的。這種優勢，僅在高行重疊率的掃描方式中才能夠得到，一般的掃描方式做不到此點。就掃描運行的控制而言，可採取Y方向一直平穩運行的方式，也就是令動作機構在X方向上做左右的連續性的掃描，而與此同時，在Y方向上執行勻速運動。這裡，Y方向動作機構需要承載片臺和X方向的動作機構兩者，所以是重載的運動部件，通過令Y方向執行勻速的運動，減少了傳統控制中Y方向運動的頻繁的啟動/停止，就非常有利於總體上的片臺位置控制了。Y方向的勻速運動的速度V，由X方向掃描完一整行的總時間t，含掃描和一側掉頭的時間，和用戶設定的行距h決定，V = h/t。此時，行重疊率與束斑長度W有關，行重疊率=(Ι-h/w)，取百分數。 Y方向的運動控制，也可以進行一些變通。考慮晶圓片為圓形的，在晶圓片的上端和下端，X方向的掃描的行程可以比較小，不需要達到晶圓片直徑的程度，在這種情況下，如果行間距及行重疊率保持不變，那麼Y方向的運行，在掃描晶圓片的上端和下端時，速度是比較快一些的，而在掃描晶圓片中部時(此時X掃描行程略大於晶圓片的直徑)，Y方向運行速度下降至最小值。綜上所述，Y方向的運行也可以採取變速的方法，在電腦程式控制下進行。儘管是變速度運行，由於速度的變化是緩慢、連續的，並且變化量並不需要很大，相較於其他方案，在精確位置控制方面，仍舊具有優勢。
權利要求
1.一種用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描方法，其特徵在於，經過擴束、勻束、光束整形處理後的一定形狀的雷射束斑，相對於晶圓片做掃描動作，包括採用晶圓片平移而雷射束不動的方式進行，或採用雷射束平移而晶圓片不動的方式來進行；若採用移動片臺，由片臺載著晶圓片做掃描的移動，形成兩行之間的高重疊率，即通過片臺在從左到右掃描完一行後，然後從右到左掃描下一行，在片臺左右做掃描的同時，也保持縱向的前後連續移動，且控制兩掃描行的間隔為光束束斑長度的1/10或者更小一些，如此連續地進行；若採用經過處理後的雷射束斑移動，在晶圓片表面一行行地掃描，進而完成對於晶圓片整片的加工處理，第一行掃描束斑與第二行掃描束斑之間形成90%以上的區域重疊率， 從而實現高行重疊率的掃描方式。
2.根據權利要求1所述用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描方法，其特徵在於，所述高行重疊率，在假定掃描行的重疊率為90%的情況下，晶圓片上的某點經歷了 10 個完整束斑的掃描，而片上另外一點只是經歷了 9個完整束斑的掃描，兩者之間最大的誤差是10%。
3.根據權利要求1所述用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描方法，其特徵在於，所述晶圓片上的每一個點所經歷的雷射掃描處理的過程是相同的，或接近於相同，因而雷射加工處理的效果是均勻的。
4.根據權利要求1所述用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描方法，其特徵在於，所述高行重疊率的掃描方式採取Y方向一直平穩運行的方式，也就是令動作機構在X方向上做左右的連續性的掃描，而與此同時，在Y方向上執行勻速運動；這裡，Y方向動作機構需要承載片臺和X方向的動作機構，所以是重載的運動部件；通過令Y方向執行勻速的運動，減少了傳統控制中Y方向運動的頻繁的啟動/停止，就非常有利於總體上的片臺位置控制；若Y方向的運動取變速度運行，則只要控制速度的變化處於緩慢、連續，且變化量不很大，這種情況下，相較於傳統方案，在精確位置控制方面，仍舊具有優勢。
5.根據權利要求1所述用於半導體雷射加工中高行重疊率的光束掃描方法，其特徵在於，所述Y方向的運動在考慮晶圓片為圓形的情況下，在晶圓片的上端和下端，X方向的掃描的行程是比較小的，不需要達到晶圓片直徑的程度，在這種情況下，如果行間距及行重疊率保持不變，那麼Y方向的運行，在掃描晶圓片的上端和下端時，速度是比較快一些的，而在掃描晶圓片中部時即此時X掃描行程略大於晶圓片的直徑，Y方向運行速度下降至最小值；在電腦程式控制下進行控制；其中，Y方向的勻速運動的速度V，由X方向掃描完一整行的總時間t，含掃描和一側掉頭的時間，和用戶設定的行距h決定，V = h/t，此時，行重疊率與束斑長度W有關，行重疊率=(l-h/W)%。
全文摘要
本發明公開了一種用於半導體雷射加工中的高行重疊率的光束掃描方式。經過擴束、勻束、光束整形處理後的一定形狀的雷射束斑，相對於晶圓片做掃描動作，包括採用晶圓片平移而雷射束不動的方式進行，或採用雷射束平移而晶圓片不動的方式來進行取一定長度的特定形狀的雷射束斑，從左到右或從右到左一遍遍地掃描和加工處理晶圓片。連續兩行之間的間距取為遠小於束斑長度，就形成了高重疊率的掃描運行。採用這樣的掃描方式，可以在不變更雷射加工處理設備其他部件，不對其他部件提更高技術指標要求的情況下，極大地提高雷射加工處理的片內均勻性。此外，由於允許掃描機構中的重載部件以勻速度運行，可提高位置控制精度，改善掃描運動控制的效果。
文檔編號H01L21/268GK102324385SQ20111027323
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者嚴利人, 劉朋, 周衛, 竇維治 申請人:清華大學