用於雷射處理設備的多重光束組合器的製作方法

2023-11-11 15:28:27

本申請是PCT申請第PCT/US2012/069518號於2014年4月25日進入中國國家階段得到的、申請號為201280052799.8、申請日為2012年12月13日、發明名稱為「用於雷射處理設備的多重光束組合器」的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本文所述的實施方式涉及半導體裝置的製造。更具體地，本文所述的實施方式涉及用於熱處理的設備及方法。

背景技術：

熱處理在半導體工業中經常實施。半導體基板在許多轉型(transformations)的情境中經受熱處理，這些轉型包括柵極源、漏極及溝道結構的摻雜、啟動(activation)和退火，矽化、結晶、氧化等等。經過多年，熱處理的技術已經從單純的烘烤爐發展成越來越迅速地熱處理的各種形式，例如RTP、峰值退火(spike annealing)和雷射退火。

傳統的雷射退火工藝使用可為半導體或固態雷射器的雷射發射器，其具有將雷射對焦、散焦或各種成像以成為所需形狀的光學元件(optics)。常用的方式為將雷射成像為線形或薄矩形影像。雷射遍及基板掃描(或基板在雷射之下移動)以處理基板的全部表面。

隨著裝置的幾何形狀日益減小，諸如熱處理的半導體製造工藝受到挑戰而需要發展更高的精確性。在許多實例中，脈衝雷射工藝被發現可降低整體熱預算(budget)，以及減少在基板處能量暴露的深度和時間。然而，形成具有臨時形狀的雷射脈衝仍存在挑戰性，該臨時形狀能夠提供所需的處理性能，並且具有對於遍及基板的表面進行均勻處理的均勻性的需求。因此，仍持續需要新的設備和方法以用於半導體基板的熱處理。

技術實現要素：

茲公開用於組合放大的輻射光束的設備和方法。光束組合器具有準直光學元件，該準直光學元件被定位成相對於準直光學元件的光軸以恆定的入射角接收多個相干輻射光束(coherent radiation beams)。各自的入射角度在某些實施方式中亦可為不同的。準直光學元件具有使光束準直的光學特性。該光學特性可為折射或反射，或折射與反射的結合。亦可提供聚集光學元件以將多個光束引導至準直光學元件。光束組合器可用於熱處理設備中，以將諸如雷射的兩個以上的相干放大輻射光束組合至單一光束中。

準直光學元件可為具有小平面的反射器(faceted reflector)，該具有小平面的反射器以所述多個光束各自的入射角接收所述多個光束，且沿著共同的光軸反射所述光束。光束可沿著非常靠近的路徑反射，使得反射的光束形成組合的光束。準直光學元件可為折射部件，該折射部件接收多個光束且沿著共同的光軸彎折光束。折射部件可沿著非常靠近的路徑、部分重迭的路徑或完全重迭的路徑彎折光束，以形成沿著單一光學路徑傳播的光束。

附圖說明

為了可詳細了解本發明上述特徵的方式，可參考實施方式獲得對於如以上簡述之發明內容的本發明更具體說明，這些實施方式中的某些實施方式圖示於附圖中。然而應了解，附圖僅圖示本發明的典型實施方式，且因此不應將附圖考慮為對於本發明範圍的限制，因為本發明可允許有其他等效的實施方式。

圖1A是根據一個實施方式的相干輻射源的側視圖。

圖1B是根據一個實施方式的、圖1A的聚集光學元件的反射側的軸向視圖。

圖1C是圖1A的準直光學元件的側視圖。

圖1D是根據另一實施方式的準直光學元件的側視圖。

圖2是根據另一實施方式的相干輻射源的側視圖。

圖3是根據另一實施方式的相干輻射源的側視圖。

為了幫助理解，儘可能地使用相同的參考標記以代表附圖中共用的相同元件。可以預見到，在一個實施方式中所揭露的元件可有益地應用在其他實施方式上，而無須特殊說明。

具體實施方式

圖1A是根據一個實施方式的相干輻射源100的側視圖。相干輻射源100可為雷射輻射源或非共振放大的相干輻射源。相干輻射源100具有多個相干輻射發射器102，這些相干輻射發射器102中的每個發射相干輻射的入射光束104。各個輻射發射器102可獨立地作為雷射源或非共振放大的相干輻射源，例如一連串的光學放大器。每個光束被引導以朝向準直光學元件106，該準直光學元件106被定位以接收多個相干輻射光束104且輸出實質上單一的輻射光束108，構成來自多個發射器的組合的相干輻射光束。準直光學元件106在某些實施方式中為組合光學元件。

準直光學元件106可為反射器、折射器、或反射器與折射器的組合。在圖1A中，準直光學元件106圖示為反射器，但如以下更詳細地敘述的，圖2包括為折射器的準直光學元件206。準直光學元件106具有與相干輻射光束104相對於準直光學元件106的入射角相對應的準直光學特性。對於折射器而言，準直光學特性可為根據司乃耳定律(Snell's law)的對應於入射角的折射率，使入射光束在離開準直光學元件106時彎曲成單一光學路徑。對於反射器而言，準直光學特性亦可為反射角度，該反射角度將入射相干光束反射至實質上單一的光學路徑上。在反射準直光學元件的情況中(例如準直光學元件106)，反射器可為鏡子，且反射器可為彎曲的或具有小平面的(faceted)。如圖1A所圖示，具有小平面的鏡子可具有多個小平面(facets)，每個小平面對應於一個入射相干輻射光束。

可通過定位發射器102而將入射相干光束104引導至準直光學元件106，發射器102被定位成將它們發射的光束指向準直光學元件，或如圖1A中所示，可使用聚集光學元件110。聚集光學元件110亦可為反射性或折射性光學元件。在圖1A中，聚集光學元件110為具有一個或更多個反射表面112的反射器，這些反射表面112的角度被設置為將入射光束104反射向準直光學元件106。聚集光學元件110具有開口114，組合光束108可通過開口114離開設備100，但開口114並非必要的。舉例而言，若圖1A中的準直光學元件106為折射器，則組合光束108將從聚集光學元件110行進而離開設備，因此將不需要中央開口114。

中央開口114可為任何所需的尺寸及形狀，且中央開口114在某些實施方式中可為用於使組合光束108成形的孔洞。舉例而言，若組合的光束108需要矩形的光束截面，則中央開口114可具有矩形的形狀。中央開口114亦可建構成孔洞，以通過截去組合光束108的邊緣非均勻性來改良光束中的能量分布的均勻性。

圖1B是根據一個實施方式的聚集光學元件110的反射側的軸向視圖。圖1B的聚集光學元件110被根據大致方形的幾何形狀配置，以將四個入射相干光束組合成單一的組合光束。四個反射表面112在目標位置116處接收四個入射相干光束，並且將它們反射向圖1A的準直光學元件106(未圖示於圖1B中)。準直光學元件106將光束104反射向聚集光學元件110的中央開口114。

在圖1A及圖1B中將聚集光學元件110圖示和描述為具有小平面的反射器，但在可選的實施方式中，聚集光學元件110可為連續彎曲的反射器，例如彎曲的鏡子，如拋物柱面鏡(parabolic mirror)。聚集光學元件110亦可為未連接為單一結構或物體的、多個分離的反射器的集合，例如多個鏡子。在另一實施方式中，聚集光學元件110可為具有小平面或彎曲表面的環狀反射器或環狀鏡子。

應了解，可使用設備100將任何數量的相干光束104組合為組合光束108。如圖1A及圖1B中所圖示，設備100提供光學元件以將四個光學路徑組合成一個光學路徑，但可提供更多或更少數量的光學表面以組合更多或更少數量的光束。舉例而言，圖1B的聚集光學元件110可配置成通過為每個入射光束提供反射或折射位置(loci)(例如目標位置116)，以聚集五個、六個、七個或任何隨意數量的光束。彎曲的聚集光學元件110可直接適用於聚集任何數量的相干光束。

聚集光學元件110可配置成執行入射相干光束104的任何所需的光學轉換。若入射相干光束104為發散的(如許多二極體雷射器或雷射二極體陣列所具有的)，聚集光學元件110可通過在目標位置116處提供適當彎曲的反射表面，以準直或聚焦每個入射相干光束104。如果需要，反射表面亦可具有屈光能力(dioptric power)，以放大或縮小入射相干光束104。對於諸如固態雷射器的較少發散源，反射表面為大致平坦的或實質上平坦的，以維持入射相干光束的線性。一般而言，聚集光學元件的反射表面可具有光學性能(optical power)，以校正或改變入射光束的與傳播方向相關聯的任何特性，例如焦點、倍率(magnification)、扭曲(distortion)等等。

圖1C是圖1A的準直光學元件106的側視圖。準直光學元件106具有反射小平面118，各個反射小平面的角度被設置為以入射角度接收相干輻射光束104、且沿著與準直光學元件106的光軸122平行的光學路徑反射相干輻射光束104以形成組合光束108。因此，各個相干光束104沿著與其他相干光束104緊密相鄰的平行路徑反射，導致組合光束108包含側向緊密相鄰的子光束的集合。若入射相干光束104為實質上的單一模式光束，例如高斯光束(Gaussian beams)，則組合光束108將類似於具有TEM0n/2類型的橫向模式的單一相干光束，其中n為入射相干光束104的數量。若入射相干光束104為多模式(multi-mode)光束，或單一模式與多模式光束的混合，則組合光束108將具有並不類似於任何典型可分解單一光束形態的複雜形態(modality)。

當使用聚集光學元件110時，準直光學元件106可具有光學性能，從而以與傳播方向相關聯的任何預期方式來改變入射光束。圖1C的準直光學元件圖示為具有尖的(pointed)中央，但根據需要，中央也可為平坦或圓的(rounded)。在圖1C的實施方式中，準直光學元件106的中央是不起作用的(non-functional)，所以不同的中央形狀將不會改變準直光學元件106的功能。在其他實施方式中，準直光學元件106的中央可能是起作用的。

組合的聚集光學元件110和準直光學元件106可配置成將入射相干光束104定位成任何所需的關係成為組合光束108，以產生組合光束108的所需形態。由圖1A-1C的光學元件所產生的組合光束108將大致具有較低或可忽略的中央能量密度，因為入射相干光束104被布置為緊密靠近出口光軸122的四周，而沒有光束位於中央。

在可選的實施方式中，聚集光學元件110及準直光學元件106中的每個可配置成具有反射表面112/118，該反射表面將入射相干光束104中的一個布置在組合光束108的中央，直接在出口光軸122上傳播，以產生具有可選形態的組合光束108。在此實施方式中，聚集光學元件110(若使用聚集光學元件)的一個反射表面或目標位置116系的角度被設置以引導入射相干光束104朝向準直光學元件106的中央，且準直光學元件106的一個反射表面118延伸跨越準直光學元件106的中央，且該反射表面118的角度被調整以在準直光學元件106的中央(在沿著準直光學元件106的中心軸或出口光軸122的一點處)接收入射相干光束104並沿著出口光軸122反射光束。

圖1D是準直光學元件124的側視圖，該準直光學元件124配置成將入射相干光束104組合成組合光束108，該組合光束108在出口光軸122上具有能量強度最大模式。圖示了三個入射相干光束104，其中兩個從與圖1C的準直光學元件106的反射表面相同的表面118反射，以及一個從延伸的表面126反射。延伸的表面126包圍出口光軸122，對應於準直光學元件124的中心軸，使得入射相干光束104可被引導至出口光軸122上的目標位置。延伸的表面126具有不同於其他反射表面118的角度，此差異是由於被引導到準直光學元件124的中央的入射相干光束104以不同於其他入射相干光束104的入射角度到達所引起。當具有反射表面118時，延伸的表面126可具有光學性能以通過任何與傳播方向相關聯的方式調整入射在延伸的表面126上的相干光束104的特性，例如焦點、倍率和/或扭曲。

任何適當的反射器都可用於準直光學元件106。金屬處理的(metallized)表面、介電鏡子(dielectric mirrors)、布拉格鏡(Bragg mirrors)及部分鏡子(partial mirrors)均可被使用。

圖2是根據另一實施方式的相干輻射源200的側視圖。相干輻射源200在許多方面都與相干輻射源100相似，而關鍵的差異在於聚集光學元件和組合光學元件為折射性的而非反射性。圖2的組合光學元件206具有入口表面和出口表面，入口表面和出口表面一起將入射相干光束104彎曲成組合光束208，該組合光束208與圖1A-1D的組合光束108相似。組合光束208具有被準直為緊密相鄰地沿著單一光軸而傳播的分量光束。組合光束208的截面可類似於TEM0n/2光束，其在光軸上具有被多個能量最大值波瓣環繞的相對較暗的中央。

入射相干光束104由折射性聚集光學元件210聚集，該折射性聚集光學元件210將光束折射向折射性組合光學元件206。折射性聚集光學元件210和折射性組合光學元件206中的每個可為單個部件或諸如透鏡或稜鏡的多個部件。折射性光學元件206及210中的每個可為環狀或類環狀，具有實心的外部部分和中央開口，各個部件的周圍和中央開口具有任何適宜的形狀，包括圓形、橢圓、三角形、多邊形或不規則形。當具有圖1A-1D的反射光學元件時，與入射光束104相互作用的表面可為平坦的、彎曲的、具有小平面的或它們的任意組合。如果需要，可去除折射性光學元件210和206中每個或任一個的中央開口。在一個實施方式中，折射性聚集光學元件210和折射性組合光學元件206中的每個都是透鏡。在折射性聚集光學元件210為透鏡的實施方式中，折射性聚集光學元件210可具有中央開口，或者折射性聚集光學元件210可具有實心的中央而非中央開口。應了解，將準直的光束(例如雷射束)投射在和穿過彎曲的表面會產生匯聚或發散效應，如果需要，此匯聚或發散效應可使用校正光學元件來校正。

可通過將發射器102直接以所需的入射角度指向組合光學元件206而省略聚集光學元件210。應了解，儘管圖2中僅可見到兩個發射器102，但也可布置任何數量的發射器與組合光學元件206光學通信，以產生組合光束208。如上所述，在圖2的實施方式中，組合光束208是分量光束的集合，這些分量光束被安排成與共同的光軸緊密相鄰地傳播，類似於從單一發射器所發射的高形態相干輻射光束。在使用折射性光學元件的可選實施方式中，可將一分量光束布置在光軸上，而使其他分量光束環繞該布置在光軸上的分量光束且緊密相鄰地傳播。這可以通過引導入射光束104穿過折射性聚集光學元件210與折射性組合光學元件206中每個的中央開口而實現。以此方式，組合光束208可具有近似於兩個分量形態的混合光束的截面能量分布，一個分量具有TEM00高斯形態而另一個具有TEM0n/2形態，其中n為非軸向入射相干光束104的數量。

入射相干光束104可經安排成，使得作為組合光束208之分量的每個分量光束的截面邊緣接觸至少一個其他分量光束的截面邊緣。這種可以這樣實現，即通過將折射性組合光學元件206定位於與折射性聚集光學元件210相隔一定距離處，以使得入射光束104在進入折射性組合光學元件206之前會聚成部分重迭的關係。折射性組合光學元件206可具有一個或更多個彎曲的表面，以接納和準直該重迭的入射光束，因此可導致組合光束208中的某些非線性。如果需要，可使用孔洞根本性去除由非線性導致的組合光束208的邊緣非均勻性。

圖3是根據另一實施方式的相干輻射源300的側視圖。在圖3的實施方式中，第一彎曲鏡子302作為聚集光學元件使用，且第二彎曲鏡子304作為組合光學元件使用。入射相干光束310A及310B從第一彎曲鏡子302反射，且反射的相干光束312A及312B朝向第二彎曲鏡子304傳播。反射的相干光束312A及312B再次被第二彎曲鏡子304反射，且分量光束314A及314B傳播通過第一彎曲鏡子302中的中央開口306。分量光束314A及314B被準直光學元件308(該準直光學元件可為透鏡)準直，以形成由準直的分量光束316A及316B組成的組合光束316。各種光學元件的距離及曲率可根據已知的公式調整，以提供所需的放大或縮小，從而使得可由入射相干光束310A及310B獲得準直的分量光束316A及316B的任意組合關係。應了解，儘管圖3的實施方式中顯示了兩個入射相干光束310A及310B，但可使用第3圖的設備組合任何數量的入射相干光束。

校正板318也可被布置於相干輻射源300的入口瞳孔(entry pupil)處，或布置於沿著光學路徑的任何有益位置處，以通過折射性地調整入射相干光束310A及310B來對組合光束316施加所需的調整。校正板318可具有折射特性以彌補在第一和第二彎曲鏡子中的任何缺陷或誤差。校正板318亦可部分地準直入射光束310A及310B，以使得準直光學元件308可具有更長的焦距且仍可準直緊密相鄰的顯露(emergent)光束316A及316B。布置在第二彎曲鏡子304與準直光學元件308之間的校正板或校正光學元件，可在光束310A及310B到達準直光學元件308之前，部分地準直或散焦光束310A及310B。

應了解，準直光學元件308可定位成與第二彎曲鏡子304的焦點相距任何所需的距離，此距離由準直光學元件308的焦距所控制。典型地，準直光學元件308被定位成，使得第二彎曲鏡子304的焦點與準直光學元件308之間的距離基本上等於準直光學元件308的焦距，從而使得入射在準直光學元件308上的輻射光束基本上平行地離開。取決於該系統的其他元件的光學特性，可使用短焦距的元件以準直緊密相鄰的光束316A及316B。

圖1A-3中所述的實施方式組合了各種反射及折射元件以形成光束組合器。如上所述，反射及折射元件可在單個實施方式中組合。再者，在某些實施方式中，單個光學元件可組合反射及折射分量。例如，布拉格鏡同時具有反射性及折射性，但其他實例也是可以理解的。圖1C的反射性準直光學元件106可為稜鏡，且反射表面118可為布拉格鏡或金屬處理的表面。如果需要，可通過將稜鏡的中央點替換成具有可透射的平坦表面，以使得此稜鏡具有可透射核心。於是，一個或更多個入射光束可被引導沿著光軸通過稜鏡的中央平坦表面，而其他入射光束沿著光軸從多個面118反射，以產生反射及折射分量的組合光束。

本文所述的所有實施方式的特徵在於光束的軸向組合。換言之，進入光束的光軸或對稱軸基本上平行於離開的一個或多個組合光束的光軸。然而，這種定向並非必需的。可使用諸如鏡子的反射性或折射性光學元件而使離開的一個或多個光束轉向至任何預期的軸。此外，如果需要，可分階段使用多個組合器，以從第一多個光束形成第一組合光束，接著將第二多個光束與第一組合光束組合以形成第二組合光束。如上所述，第一組合光束可沿著第二光束組合器的光軸傳播並通過第二光束組合器的中央開口，其中使用例如圖2的光束組合器或圖3的光束組合器(具有形成為通過第二彎曲鏡子304中央的小孔)。第一組合光束將傳播通過第二光束組合器，且由第二光束組合器組合的光束將顯現為與第一組合光束緊密相鄰地組合。可以此方式分階段使用任何數量的光束組合器。

最後，應了解，本文所述的反射性及折射性光學元件的任何適當的組合，可用以將多個相干光束組合成單一光束。當使用折射性光學元件時所典型發生的功率損失，可通過使用抗反射塗層而在某種程度上克服，但較佳地將反射性光學元件用於低損失高功率應用。然而，折射性光學元件具有可使用折射介質(refractive media)控制光的傳播的優點。舉例而言，如果需要，使用折射性光學元件的光束組合器可偏振一個或更多個分量光束。如果需要，通過提供光束組合器的漫射出口表面，可通過光束組合器使光束在空間上去相關(decorrelated)。舉例而言，組合光學元件206的出口表面可為漫射表面，以在組合光束208中提供分量光束的空間去相關。

組合光束108及208的均勻性可通過使用均勻化(homogenizing)光學元件而改良，例如使用散光器、透鏡陣列、攪模器(mode scrambler)、去相關器(decorrelator)等等。可施加至諸如光束108及208之組合光束的均勻化光學元件的實例，可參見美國專利公開號2009/0032511的圖9、10A及10B中以及這些附圖的相關文字。

一般而言，通過將入射相干光束引導至組合光學元件，該組合光學元件將該光束排列成完全重迭的關係(使得光束在空間中位於同一位置)、或部分重迭的關係、或在空間上緊密相鄰的非重迭關係，從而建構單一的共同傳播輻射光束，這樣可將任何數量的入射相干光束組合成實質上的單一光束，該光束可以以任何程度相干。組合光學元件可為反射性或折射性光學元件，且組合光學元件可組合反射及折射分量。此外，在上面結合圖1A-2所示的實例中，準直光學元件可組合耦合至反射分量的一個或更多個折射分量，以實現各個光束的傳播方向的所需改變和/或調整組合光束的其他光學特性。舉例而言，在組合光學元件的不同目標位置處使用局部折射光學元件，可將不同的偏振施加至單個入射光束，以產生具有複雜偏振模式的組合光束(亦即，沿著特定軸的、在光束的整個剖面中具有變化值的偏振)。在圖1C和1D的準直光學元件106的實例中，可將偏振薄膜施加至反射表面118和126中的每個，該偏振薄膜對每個分別的入射相干光束104施加不同的偏振軸，使得組合光束108在組合光束108截面中的不同位置處具有不同的偏振值。

本文所述的方法和設備的額外的能力是將不同波長的入射相干光束組合成單一多色組合光束。在此實施方式中，以不同波長發射的多個雷射可被組合成一個「白光雷射」，產生非單色或者甚至為窄譜的、集中輻射能量的高功率線性光束。此光束可具有比任何普通放大器本身可發射的光更廣的光譜。

儘管以上說明是針對本發明的實施方式，但也可設想本發明其他及進一步的實施方式而不脫離本發明的基本範圍。