雷射熱處理裝置中的分區加熱片臺和加熱方法
2023-09-18 18:02:00 1
專利名稱：雷射熱處理裝置中的分區加熱片臺和加熱方法
技術領域：
本發明屬於半導體製造技術範圍，特別涉及一種雷射熱處理裝置中的分區加熱片 臺和加熱方法。
背景技術：
隨著IC製造技術的進步，對於半導體晶圓片進行雷射加工，由於其獨特的優勢， 逐漸成為了半導體加工製造領域中新穎性的技術選項。雷射加工的主要優勢在於，通過激 光束可以將高密度的純能量饋送至加工材料的表面，提供材料表面加工和處理中，化學反 應，或者物理相變這樣的物理-化學過程的激活能，在此過程中，不涉及帶電粒子、等離子 基團、氧化/還原劑等物質性顆粒，因此不產生寄生的反應與過程，無額外摻雜、沾汙等。激 光加工目前主要涉及雷射退火。包括熔性或者非熔性的退火，雷射輔助薄膜生長，雷射作用 下非晶材料相變(用於製作多晶薄膜器件，太陽能電池)等。當前主流的雷射熱處理的技術方案為，通過光學系統的處理，將雷射束進行擴束、 整形、勻束，並遞送至待處理的材料晶圓片的表面處。經過光學系統處理後的光束，投送至 晶圓片表面時，束斑為線形的，或者為矩形形狀，束斑相對於晶圓片表面做掃描移動，最終 光束的作用遍及和覆蓋整個晶圓片。由於是對圓片進行雷射熱處理，涉及到強雷射對於材 料表面的作用，在材料表面的局部會形成很高的升溫，局部高溫區相對於周圍較低的溫度 區可產生較大的溫度梯度，已經觀察到，這一溫度梯度的存在，對圓片表面的形貌造成了破 壞，從而影響了雷射熱處理的效果。例如，在熔性的雷射退火工藝過程中，如果不採取一定 的措施，圓片表面可形成高低起伏的微觀的波紋線，破壞原始晶圓片的表面平整性。為了克服這一問題，保護雷射熱處理過程中的晶圓片表面形貌，一般會採用輔助 性加熱的方案。已有的技術，包括一些專利的說明中，主要使用採用電阻性加熱源的輔助性 加熱方案，即將熱源置於片臺內部，通過片臺金屬件傳熱，從晶圓片的背面加熱整個襯底。 在這樣的傳統輔助加熱方案中，晶圓片是作為一個整體而均勻地加熱的，晶圓片各處的預 加熱溫度均相同。局部高溫區相對於周圍較低的溫度區可產生較大的溫度梯度，對圓片表 面的形貌仍然有造成破壞的可能。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種雷射熱處理裝置中的分區加熱 片臺和加熱方法。其特徵在於，在雷射熱處理裝置中將加熱片臺劃分為不同的加熱區域，不 同的單元區域之間由隔熱材料隔離，在不同的加熱區域下方，各自配置獨立控制加熱功率 的加熱器，各區域獨立控制加熱溫度；在雷射光束熱處理的高溫區域和低溫的襯底預加熱 區域之間，引入額外的次高溫緩衝區。所述獨立控制加熱功率的加熱源，目的是使得對晶圓片執行雷射掃描熱處理時， 多數的、遠離雷射光束作用區域的加熱源工作在低加熱功率的保溫狀態下，只有雷射光束 作用區附近的一個或多個加熱單元，其加熱源處於高功率或者全功率的工作狀態，這樣可
3以提供對晶圓片形貌的最好的保護。所述分區加熱片臺設計成選配件的方式，即設計成為一系列按不同尺寸劃分單元 區域的片臺，以實現根據應用場合的需要，安裝或者更換系列中最為合適的分區加熱片臺。所述分區加熱片臺的加熱方法，具體步驟如下1)將晶圓片載於加熱片臺上；2)所有加熱單元均勻性地加熱晶圓片，使其處於一個較低的基礎溫度；3)對將要進行雷射光束作用區附近的一個或多個加熱單元這一局部區域，其下方 的加熱器預先加大功率，對晶圓片的這一局部區域升溫；4)當晶圓片的這一局部區域的溫度達到最高值時，片臺剛好移動至雷射光束下 方，進行雷射輻照處理；其後這一局部區域下方的加熱器功率下降，溫度不再進一步升高， 其溫度恢復為基礎溫度，而同時下一步準備接受雷射輻照處理的晶圓片的下一局部區域， 其下方的加熱器開始加大功率，對該下一局部區域的圓片預先升溫；5)隨著片臺的連續移動，各加熱器將總是稍領先於雷射光束的作用，對圓片表面 的不同區域進行快閃式的加熱，而雷射光束對於圓片表面的處理，總是與圓片被處理的部 分升高至最高溫相同步的。所述雷射輻照處理，對於採用不同分區方案片臺，不同的雷射作用掃描速度，由計 算機編程控制使得快閃式的加熱與雷射掃速和加熱區域面積相協調。本發明的有益效果是，在雷射熱處理過程中，由於雷射的作用，材料表面的局部產 生高溫，通過輔助性的分區加熱的方式，在高溫區域5和其他遠離雷射束的偏低一些的溫 度區域6之間，引入了額外的次高溫的緩衝區7，從而有效地降低了片上的溫度分布梯度， 能夠更為有效地減小熱應力所帶來的不良影響，提供更好的雷射熱處理的效果。在另一方 面，由於對遠離雷射束照射的區域6，只做偏低一些溫度的輔助升溫處理，整個雷射熱處理 過程中的熱耗散總量能夠顯著地降低，不僅節約了能源，也同時降低了整機熱隔離設計和 實現的難度。採用分區控制加熱的方案後，可有效地降低片內的溫度梯度，更加有效地減小 熱應力帶來的不良影響，提供更好的雷射熱處理的效果。除矽材料外，本發明也適用於GaAs 等材料的半導體晶圓片。所述雷射熱處理裝置，主要的應用領域包含但不限於材料的雷射 退火，雷射輔助薄膜沉積，以及利用雷射作用，使液相和固相再結晶。
圖1為分區加熱片臺加熱單元和隔離材料的配置情況示意圖。圖2為分區加熱片臺配置的剖面示意圖。圖1和圖2中，1.是分區加熱片臺表面的不同分區；2.是分隔不同加熱分區的片 臺隔熱材料；3.是為各加熱分區獨立配置的加熱器；4.是退火雷射光束；5.是處在退火激 光光束正下方的襯底片區域，此處為高溫區；6.是遠離退火雷射光束的襯底片區域，這些 區域相對於正在被雷射束處理的襯底片區域為低溫區；7.是介於5、6兩區之間的中溫區 域。
具體實施例方式本發明提供一種用在半導體晶圓片雷射熱處理中的分區輔助加熱片臺和分區加熱方法。片臺分區及各區獨立控制加熱的結構如圖1、圖2所示。在圖1中，首先將片臺分成了不同的單元區域1，在不同的單元區域之間由隔熱材 料2隔離，在片臺的每個加熱單元區域1的下方均放置一個獨立控制加熱功率的加熱源3， 形成各單元區域獨立控制加熱的片臺；在雷射熱處理所引入的高溫區域5和低溫的襯底預 加熱區域6之間，引入了額外的次高溫緩衝區7。各區域可獨立控制加熱，各區域加熱器配 置的情況，如圖2所示。對這些加熱器進行加熱控制的具體方式，舉例說明如下1)將晶圓片載於加熱片臺上；2)所有加熱單元均勻性地加熱晶圓片，使其處於一個較低的基礎溫度 IOO0C -200 0C ；3)對將要進行雷射光束作用區附近的一個或多個加熱單元這一局部區域，其下方 的加熱器預先加大功率，對晶圓片的這一局部區域升溫；4)當晶圓片的這一局部區域的溫度達到最高值時，也就是雷射熱處理所最適宜的 工藝溫度200°C -500°C，片臺剛好移動至雷射光束4下方，進行雷射輻照處理；其後這一局 部區域下方的加熱器功率下降，溫度不再進一步升高，其溫度恢復為基礎溫度，而同時下一 步準備接受雷射輻照處理的晶圓片的下一局部區域，其下方的加熱器開始加大功率，對該 下一局部區域的圓片預先升溫；5)隨著片臺的連續移動，各加熱器將總是稍領先於雷射光束的作用，對圓片表面 的不同區域進行快閃式的加熱，而雷射光束對於圓片表面的處理，總是與圓片被處理的部 分升高至最高溫相同步的。所述雷射輻照處理，對於採用不同分區方案片臺，不同的雷射作用掃描速度，由計 算機編程控制使得快閃式的加熱與雷射掃速和加熱區域面積相協調。
權利要求
1.一種雷射熱處理裝置中的分區加熱片臺，其特徵在於，在雷射熱處理裝置中將加熱 片臺劃分為不同的加熱區域，不同的單元區域之間由隔熱材料隔離，在不同的加熱區域下 方，各自配置獨立控制加熱功率的加熱器，各區域獨立控制加熱溫度；在雷射光束熱處理的 高溫區域和低溫的襯底預加熱區域之間，引入了額外的次高溫緩衝區。
2.根據權利要求1所述雷射熱處理裝置中的分區加熱片臺，其特徵在於，所述獨立控 制加熱功率的加熱源使對晶圓片執行雷射掃描熱處理時，多數的、遠離雷射光束作用區域 的加熱源工作在低加熱功率的保溫狀態下，只有雷射光束作用區附近的一個或多個加熱單 元，其加熱源處於高功率或者全功率的工作狀態，提供對晶圓片形貌的最好的保護。
3.根據權利要求1所述雷射熱處理裝置中的分區加熱片臺，其特徵在於，所述分區加 熱片臺設計成選配件的方式，即設計成為一系列按不同尺寸劃分單元區域的片臺，以實現 根據應用場合的需要，安裝或者更換系列中最為合適的分區加熱片臺。
4.一種使用權利要求1所述雷射熱處理裝置中的分區加熱片臺的分區加熱方法，其特 徵在於，所述分區加熱片臺的加熱方法，具體步驟如下1)將晶圓片載於加熱片臺上；2)所有加熱單元均勻性地加熱晶圓片，使其處於一個較低的基礎溫度；3)對將要進行雷射光束作用區附近的一個或多個加熱單元這一局部區域，其下方的加 熱器預先加大功率，對晶圓片的這一局部區域升溫；4)當晶圓片的這一局部區域的溫度達到最高值時，片臺剛好移動至雷射光束下方，進 行雷射輻照處理；其後這一局部區域下方的加熱器功率下降，溫度不再進一步升高，其溫度 恢復為基礎溫度，而同時下一步準備接受雷射輻照處理的晶圓片的下一局部區域，其下方 的加熱器開始加大功率，對該下一局部區域的圓片預先升溫；5)隨著片臺的連續移動，各加熱器將總是稍領先於雷射光束的作用，對圓片表面的不 同區域進行快閃式的加熱，而雷射光束對於圓片表面的處理，總是與圓片被處理的部分升 高至最高溫相同步的。
5.根據權利要求4所述雷射熱處理裝置中的分區加熱片臺的分區加熱方法，其特徵在 於，所述雷射輻照處理，對於採用不同分區方案片臺，不同的雷射作用掃描速度，由計算機 編程控制使得快閃式的加熱與雷射掃速和加熱區域面積相協調。
全文摘要
本發明公開了屬於半導體製造設備和技術範圍的一種用在半導體晶圓片雷射熱處理中的分區輔助加熱片臺和分區加熱方法。在雷射熱處理裝置中將加熱片臺劃分為不同的加熱區域，在不同的單元區域之間由隔熱材料隔離，不同的加熱區域下方，各自配置獨立控制加熱功率的加熱器，形成各區域獨立控制加熱溫度；在雷射光束熱處理的高溫區域和低溫的襯底預加熱區域之間，引入了額外的次高溫緩衝區。本發明有效地改善了片上的溫度分布梯度，相對於全片均勻性的輔助加熱，更為有效地減小熱應力所帶來的不良影響，提供更好的雷射熱處理的效果。在整個雷射熱處理過程中的熱耗散總量顯著地降低，不僅節約了能源，也同時降低了整機熱隔離設計和實現的難度。
文檔編號H01L21/02GK102064086SQ20101051499
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者嚴利人, 劉志弘, 劉朋, 周衛, 張偉, 竇維治 申請人:清華大學