一種雷射熱處理中倍頻雷射器的功率測控方法
2023-09-18 18:05:40 2
專利名稱：一種雷射熱處理中倍頻雷射器的功率測控方法
技術領域：
本發明屬於半導體製造中的檢測技術範圍，特別涉及應用於半導體晶圓片雷射熱 處理的一種倍頻雷射器的功率測控方法。
背景技術：
雷射熱處理加工包括用於半導體晶圓片熔性或者非熔性的雷射退火，雷射輔助的 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)等等。對於所 有的雷射熱處理應用，在實施雷射加工的過程中，都需要極為精確地控制工藝條件，使得各 次加工都是在嚴格可控的條件下進行，工藝過程可重複，各不同圓片之間和不同批次圓片 之間，加工的效果一致。為了實現對上述工藝過程的基本要求，不僅對於雷射處理設備的整機處理過程需 要進行智能化的控制，對於構成設備的各個不同的組成模塊也要實行關鍵性能指標的測 控。這裡，也包括了對處理光源的雷射器的輸出功率進行測量與控制。對於雷射器的輸出功率進行實時的測量與控制，基本的要求是輸出功率的穩定 性，既包括在某一時間段內的穩定性，也包括在雷射器有效工作時期內的長期穩定性。一 般的測控方法為，利用光探測器實時地測量雷射器輸出功率，並反饋給計算機控制系統，由 計算機控制系統去具體地調節激發雷射束的泵浦源的功率，使得受激輻射所輸出的雷射功 率穩定在工藝處理過程所要求的設定值上。這種傳統做法使與光強/功率測量相關的光學 系統，就需要針對更短的波長，最短波長可達深紫外波段，不僅加工光學元件的材料要求很 高，而且工作於更短波長的此類光學元器件加工難度也更高，並增加系統實現的成本。
發明內容
本發明的目的是提供一種雷射熱處理中的倍頻雷射器的功率測控方法，所述的激 光熱處理的主要應用領域包含對材料的雷射退火，雷射輔助薄膜沉積，或利用雷射作用的 液相和固相再結晶，其特徵在於，首先將用於雷射熱處理的雷射源採用光學晶體，對於原始 的波長較長的雷射進行一次，或二次變頻，得到所需的較短波長的雷射，去進行雷射晶圓片 的表面處理；具體所採用的變頻雷射器，通過分光元件，將倍頻之前的雷射分出一束來，由 探測器進行光強/功率的測量與控制，因為這類光學元件只需要適應於倍頻之前的、處在 可見光波段的較長雷射波長，比較容易處理，從而使測控的光學系統實現起來更加簡捷方 便。所述分光元件對入射光束進行部分透射和部分折反射，透射的光束經過倍頻晶體 的作用後，成為雷射器最終的輸出雷射光束；而折反射的光束，則由探測器測量光強及功率 值，根據探測得到的具體值，再由計算機控制系統去調控雷射器的電源，改變泵浦的功率， 使得受激出射的雷射束功率穩定在設定值上。本發明的有益效果是，對於紫外、深紫外的晶圓片熱處理雷射，由於對工作在此波 段的光學元件的材料要求高，加工難度大。實現的成本很高。但是換成對倍頻前的雷射進行採樣與測量，則光學系統和傳感器部分能夠比較方便地實現，既能夠起到很好地監控實 際輸出功率的作用，同時實現的成本也大大降低。本發明方案充分考慮和利用了倍頻雷射 器源的特點，能夠更好地實現雷射器穩定功率的測控目的。
圖1為對倍頻前雷射功率進行檢測的光學元件配置的示意圖。圖1中，1.是倍頻前的雷射熱處理的雷射源；2.是倍頻前的雷射光束；3.是探測 雷射光強及功率的探測器；4.是分光元件，將倍頻前的雷射分取出一小部分光束來供探測 器進行測量；5.是對雷射倍頻的非線性光學晶體；6.是倍頻雷射器的最終輸出雷射光束， 即已實施了測控的功率穩定的雷射束。
具體實施例方式本發明提供一種雷射熱處理中的倍頻雷射器的功率測控方法。圖1所示為對倍頻 前雷射功率進行檢測的光學元件配置的示意圖。對於所述的雷射源功率進行測量控制，傳 統的做法是對最終的出射雷射光束6分出一束雷射後，進行測量與控制。在本發明中，則是 在未倍頻之前的雷射器1的內部設置分光元件4，將未倍頻之前的雷射束2分出一部分光 後，由探測器3測量光強/功率值。在圖1中，用作雷射熱處理的雷射光束6，波長在紫外、深紫外波段，具體為波長小 於350nm。該波長通過一次或者兩次倍頻得到。舉例來說，例如原始雷射波長為lOMnm，倍 頻一次後，雷射波長變為532nm，再經過一次倍頻，則可得到波長的雷射，用於晶圓片 的超淺結退火的處理。圖1中的分光元件4，其光學功能為能夠透過一部分雷射光束，而其餘部分雷射光 束被折反射；例如，98%透過，2%折反射至上方的探測器3，進行光強及功率的探測。分光 元件在光學系統中是基本的光學元器件之一，通過表面上所鍍膜層的變化，可精確調節其 分光光學功能。圖1中的探測器3，例如可採用光電二極體，將入射光子的作用轉換成為光電流， 電流經過電路積分後，量取電壓值，可得到測量所發生的這一段時間內的總入射光子的量 值，進而轉換為功率的測量值。探測器3也可由獨立的光功率計擔當。在一個實現例中，最 終輸出的雷射波長為266nm，則倍頻前的雷射波長為532nm的，屬於可見光波段，相應波長 的光學元件及探測器都很容易實現。圖1中的非線性光學晶體5，可以對入射光起到倍頻的作用。例如，三硼酸鋰(簡 稱LBO)晶體，即可用於對摻釹釔鋁石榴石雷射(Nd: YAG雷射)進行倍頻轉換。關於功率的實時控制，主要是將測得的光功率值反饋給計算機系統，由計算機系 統判定是否相對於設定值或者中、長期工作的平均值發生了波動變化，當變化增大，超過一 定的閾值範圍後，則採取控制措施，增大或者減小雷射泵浦的功率，從而將實際輸出的雷射 束功率鎖定在設定值上。當然，如果測量得到的數值，發生突變，或者相對於穩定值漂移過 遠，則計算機系統將提示設備工程師進行設備檢查，排除設備故障與隱患後，再行使用。
權利要求
1.一種雷射熱處理中的倍頻雷射器的功率測控方法，所述的雷射熱處理的主要應用領 域包含對材料的雷射退火，雷射輔助薄膜沉積，或利用雷射作用的液相和固相再結晶，其特 徵在於，首先將雷射熱處理的雷射源採用光學晶體，對於原始的波長比較長的雷射進行一 次，或二次變頻，得到所需的較短波長的雷射處理的光源，去進行雷射晶圓片的表面處理； 具體所採用的變頻雷射器，通過分光元件，將倍頻之前的雷射分出一束來，由探測器進行光 強/功率的測量與控制，因為這類光學元件只需要適應於倍頻之前的處在可見光波段的較 長雷射波長，比較容易處理，從而使測控的光學系統實現起來更加簡捷方便，所述分光元件的功能為對入射光束進行部分透射和部分折反射，透射的光束經過倍頻 晶體的作用後，成為雷射器最終的輸出雷射光束；而折反射的光束，則由探測器測量光強及 功率值，根據探測得到的具體值，再由計算機控制系統去調控雷射器的電源，改變泵浦的功 率，使得受激出射的雷射束功率穩定在設定值上。
2.根據權利要求1所述一種雷射熱處理中的倍頻雷射器的功率測控方法，其特徵在 於，所述分光元件對倍頻前的入射雷射光束的98%透射至光學晶體進行倍頻；入射雷射光 束的2%發生折反射至上方的探測器，進行光強及功率的量測。
3.根據權利要求1所述一種雷射熱處理中的倍頻雷射器的功率測控方法，其特徵在 於，所述一種雷射熱處理中的倍頻雷射器的功率測控，用於測試和控制的硬體系統是集成 在倍頻雷射器內部，將測得的數據送出至外部計算機進行處理。
4.根據權利要求3所述一種雷射熱處理中的倍頻雷射器的功率測控方法，其特徵在 於，所述將測得的數據送出至外部計算機進行處理是通過將測得的光功率值輸出給計算機 系統，由計算機系統進行處理和調控的；具體地說，計算機控制系統判定測量值是否相對於 工藝設定值或者中、長期工作的平均值發生了波動變化，如果變化增大且超過了一定的閾 值範圍，則將採取控制措施，增大或者減小雷射泵浦的功率，從而將實際輸出的雷射束功率 穩定在設定值上或長期工作的平均值的附近。
全文摘要
本發明公開了屬於半導體製造中的檢測技術範圍，涉及應用於半導體晶圓片雷射熱處理的一種倍頻雷射器的功率測控方法。將倍頻之前的雷射分出一束來，由探測器進行光強和功率的測量與控制。因為這類光學元件只需要適應於倍頻之前的處在可見光波段的較長雷射波長，與傳統的，僅對最終輸出雷射的功率進行測控的方法相比，當輸出雷射的波長處於紫外、深紫外波段時，傳統方法的實現難度很大；採用本發明方法，則比較容易處理，從而使測控的光學系統實現起來更加簡捷方便，既能夠起到很好地監控實際輸出功率的作用，實現的成本大大降低，在另一方面也充分考慮和利用到了倍頻雷射器源的特點，可更好地滿足雷射器穩定輸出功率的測控目的。
文檔編號H01S3/131GK102064460SQ20101051502
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