一種雷射退火裝置及雷射退火方法
2023-07-05 14:34:16 2
一種雷射退火裝置及雷射退火方法
【專利摘要】本發明公開一種雷射退火裝置，包括：一雷射光束髮生模塊，用於提供一穩定的單脈衝雷射；一循環延時裝置，用於將該單脈衝雷射分解為若干子脈衝雷射；一光學模塊，用於將該子脈衝雷射匯聚至一基底上；一運動臺，用於為該基底提供至少一個自由度的位移。本發明同時公開一種雷射退火方法。
【專利說明】一種雷射退火裝置及雷射退火方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用於半導體材料加工【技術領域】，尤其涉及一種雷射退火裝置及雷射退火方法。
【背景技術】
[0002]退火處理，主要是指將材料曝露於高溫一段很長時間後，然後再慢慢冷卻的熱處理製程。傳統的爐子加熱退火，即使在高達1100度下退火，仍不能徹底消除結晶缺陷。雷射退火則能比較徹底地消除缺陷。半導體雷射退火使用的光譜波長範圍很寬，從UV (紫外)到IR (紅外)波段的雷射器都有。工作方式也多種多樣，如美國專利US6336308和US7365285中所公開的單脈衝雷射退火，高頻率Q開關脈衝雷射退火，連接波雷射掃描退火，同波長雙雷射掃描退火，不同波長雙雷射掃描退火等。
[0003]如文獻Silicon laser annealing by a two-pulse laser system with variablepulse offsets, V.Gonfaj etc,Laser Annealing of double implanted layers for igbtpower devices, Clement Sabatier，etc 以及文獻UL Dual beam laser spike annealingtechnology都有提到雙雷射退火的激活效果比單雷射退火好。如上文所示，雙雷射有兩種，一種是同一波長的兩個脈衝不同時間福射到娃平面(如文獻Silicon laser annealingby a two-pulse laser system with variable pulse offsets, V.Gonfa, etc 以及文獻 Laser Annealing of double implanted layers for igbt power devices, ClementSabatier, etc中公開的內容所示)，另外一種是採用長波的連續雷射或脈衝雷射進行預熱，然後再用短波進一步退火(如文獻UL Dual beam laser spike annealing technology所示)。目前雙雷射方式的雷射退火裝置已經在行業中開始應用於IGBT、TFT等領域。
[0004]現有技術中Liquid Phase Reflectivtity under Conditions of Laser InducedSilicon Melting中所介紹:雷射退火過程中，當娃表面融熔後,表面液態娃是原來固態娃的反射率的2倍，此時雷射脈衝的雷射能量被大量反射出去，而不被矽吸收，降低了雷射能量利用率，影響了退火效果。
[0005]該影響對單雷射退火或雙雷射退火都存在。如果拉長雙脈衝雷射的延時，則有的時間溫度過低，達不到退火要求(比如高於1300度的時間大於50ns)。在很多應用中，不一定需要達到熔點1414度附近即可達到退火效果(如現有技術中的文獻Sub-Melt LaserAnnealing Followed by Low-Temperature RTP for Minimized Diffusion,S.B.Felch,D.E Downey, and E.A.Arevalo Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc.81 I Hansen Way, Palo Alto, CA 94303-0750 USA所示)，比如太陽能退火(如現有技術中的文獻 PULSED LASER ANNEALING AND RAPID THERMAL ANNEALING OF COPPER-1 ND IUM-GALLIUM-DISELENIDE-BASED THIN-FILM SOLAR CELLS 所示)。
[0006]無論是單脈衝雷射還是雙脈衝雷射，當溫度超過熔點，吸收率減半，降低了能量利用率。此外，以上兩種方案都有可能引起溫度超過激活退火所需溫度(比如1100度，激活效率90%以上)的時間較短(比 如小於100ns)，從而影響了退火效果。如何提高能量利用率，並改善退火效果，成為雷射退火中需要改進的重要問題。
[0007]有鑑於此，本發明提出一種雷射退火裝置，能將單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份雷射脈衝，在這些雷射脈衝的連續輻照下，能使得退火期間矽片表面溫度能更長時間保持在熔點附近或所需退火溫度附近，從而提高了雷射能量利用率，進而改善退火效果。
【發明內容】
[0008]為了克服現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種新的雷射退火裝置，能將單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份雷射脈衝。
[0009]為了實現上述發明目的，本發明公開一種雷射退火裝置，包括:一雷射光束髮生模塊，用
於提供一穩定的單脈衝雷射；一循環延時裝置，用於將該單脈衝雷射分解為若干子脈衝雷射；一光學模塊，用於將該子脈衝雷射匯聚至一基底上；一運動臺，用於為該基底提供至少一個自由度的位移。
[0010]更進一步地，該循環延時裝置至少包括一延時器、一分光鏡組以及一內部控制模塊，所述內部控制模塊用於控制延時器的延時以及分光鏡組的分光比例。該循環延時裝置還包括若干光纖，用於在該分光鏡組與該延時器之間傳遞雷射。該延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節的出射端和接收端。該出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者一出射反射鏡和一接收反射鏡。該內部控制模塊用於調節所述出射端和接收端的角度或位置，以控制所述延時器的延時。該分光鏡組包括若干個透射率不同的分光鏡以及一轉軸，所述內部控制模塊驅動所述轉軸改變所選用的分光鏡，以控制所述分光鏡組的分光比例。該若干分光鏡到該轉軸的距離相等。還包括一主控制器，與所述內部控制器連接，用於發送延時指令及分光比例指令給所述內部控制器。
[0011]本發明同時公開一種雷射退火方法，包括:提供一穩定的單脈衝雷射，使該單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份子雷射脈衝，利用該子雷射脈衝連續輻照該基底，使所不基底的表面溫度穩定於一預定範圍內。
[0012]更進一步地，該使該單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份子雷射脈衝具體包括:a)根據一設定的分光比例選擇一分光鏡；b)將所述單脈衝雷射分經過所述分光鏡後被分為兩束，其中一束直接用於福照所述基底，另一束進入一延時器延時後出射；c)所述延時器的出射光束再次經過所述分光鏡被分為兩束，其中一束用於輻照所述基底，另一束再次進入所述延時器延時後出射；d)重複步驟b、c或重複步驟a、b、C。
[0013]更進一步地，該延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節的出射端和接收端。調節所述出射端及接收端的角度或位置可調節所述延時器的延時時間。該出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者一出射反射鏡和一接收反射鏡。
[0014]與現有技術相比較，本發明所公開的雷射退火裝置，能將單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份雷射脈衝，在這些雷射脈衝的連續輻照下，能使得退火期間矽片表面溫度能更長時間保持在熔點附近或所需退火溫度附近，從而提高了雷射能量利用率，進而改善退火效果。【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]關於本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的了解。
[0016]圖1是本發明所涉及的雷射退火裝置的整體結構示意圖；
圖2是本發明所涉及的雷射退火裝置的循環延時裝置的第一實施方式的結構示意圖； 圖3是本發明所涉及的雷射退火裝置的循環延時裝置的第二實施方式的結構示意圖； 圖4是本發明所涉及的循環延時裝置的分光鏡組結構示意圖；
圖5是本發明所涉及的循環延時裝置內脈衝光強示意圖；
圖6是本發明所涉及的循環延時裝置內脈衝光強的能量分布示意圖；
圖7是本發明所涉及的基底表面接收的退火雷射脈衝相對光強示意圖；
圖8是本發明所涉及的基底表面溫度示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施例。
[0018]本發明提出一種雷射退火裝置，能將單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份雷射脈衝，在這些雷射脈衝的連續輻照下，能使得退火期間矽片表面溫度能更長時間保持在熔點附近或所需退火溫度附近，從而提高了雷射能量利用率，進而改善退火效果。
[0019]如圖1中所示，圖1是本發明所涉及的雷射退火裝置的整體結構示意圖。本實施例技術方案包括雷射器100、光強調節器101、勻光器203、運動臺500、控制器600，還包括了循環延時裝置300，其中循環延時裝置300用於將雷射的單個脈衝分解為若干子脈衝。於本實施例中，控制器600為主控制器，用於發出延時指令及分光比例指令，循壞裝置300內部的控制器根據主控制器發出的指令控制循環延時裝置發出的若干子脈衝之間的延時以及循環延時裝置的分光比例(即能量比例)。
[0020]如圖1中所示，圖1中所示出的雷射退火裝置整體結構還包括對雷射器100的出射雷射進行調整的光學裝置和控制裝置，如雷射器100的出射雷射經過一光強調節器101，經過光強調節器101調節後的雷射光束經過一分光鏡102後雷射光束的大部分進入循環延時裝置300，另一部分進入一能量探測器105。能量探測器105探測此時雷射能量，並將探測結果輸入至一雷射器控制器104。與此同時，一環境控制單元103探測此時雷射器100的工作環境，如溫度，並將此時探測結果一併返回至雷射器控制器104。雷射器控制器104根據環境控制單元103和能量探測器105的輸出結果控制雷射器100工作。
[0021]循環延時裝置300具體包括延時器301、分光鏡組302、內部控制器、若干光纖，其中延時器301可根據需要調整脈衝的延時時間，而分光鏡組302可調整分光比例。經過分光鏡組302輸入的雷射光束由原來的單個脈衝被分解為若干子脈衝。若干子脈衝經過一擴束器206後進入一勻光器203。子脈衝從勻光器203出射後再次經過一分光鏡207後一部分子脈衝進入焦面探測器201，另一部分經過一聚焦鏡組202後匯聚在基底204上。
[0022]基底204即待退火的半導體或其他材料，基底204被放置於一運動臺500上。該運動臺500可以沿若干個自由度運動。
[0023]如圖2為本實施例循環延時裝置的第一種實施方式的結構示意圖。該結構包括延時器301、分光鏡組302、內部控制器307、若干光纖310。[0024]其中如圖2中所示，延時器301包括兩面反射鏡304、305、出射頭306、接收頭303。反射鏡304和反射鏡305鏡面平行放置。出射頭306的角度可調整，接收頭303的位置可調整，且調整的角度由內部控制器307所控制。若出射頭306的光出射角度為Θ，兩面反射鏡304、305距離為L，高度為H，延時器以外循環延時裝置中的光程為L0，則光束每在循環延
時裝置中循環一周的光程為
【權利要求】
1.一種雷射退火裝置，其特徵在於，包括: 一雷射光束髮生模塊，用於提供一穩定的單脈衝雷射； 一循環延時裝置，用於將所述單脈衝雷射分解為若干子脈衝雷射； 一光學模塊，用於將所述子脈衝雷射匯聚至一基底上； 一運動臺，用於為所述基底提供至少一個自由度的位移。
2.如權利要求1所述的雷射退火裝置，其特徵在於，所述循環延時裝置至少包括一延時器、一分光鏡組以及一內部控制模塊，所述內部控制模塊用於控制延時器的延時以及分光鏡組的分光比例。
3.如權利要求2所述的雷射退火裝置，其特徵在於，所述循環延時裝置還包括若干光纖，用於在所述分光鏡組與所述延時器之間傳遞雷射。
4.如權利要求2所述的雷射退火裝置，其特徵在於，所述延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節的出射端和接收端。
5.如權利要求4所述的雷射退火裝置，其特徵在於，所述出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者一出射反射鏡和一接收反射鏡。
6.如權利要求4所述的雷射退火裝置，其特徵在於，所述內部控制模塊用於調節所述出射端和接收端的角度或位置，以控制所述延時器的延時。
7.如權利要求2所述的雷射退火裝置，其特徵在於，所述分光鏡組包括若干個透射率不同的分光鏡以及一轉軸，所述內部控制模塊驅動所述轉軸改變所選用的分光鏡，以控制所述分光鏡組的分光比例。·
8.如權利要求7所述的雷射退火裝置，其特徵在於，所述若干分光鏡到所述轉軸的距離相等。
9.如權利要求2所述的雷射退火裝置，其特徵在於還包括一主控制器，與所述內部控制器連接，用於發送延時指令及分光比例指令給所述內部控制器。
10.一種雷射退火方法，其特徵在於，包括:提供一穩定的單脈衝雷射，使所述單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份子雷射脈衝，利用所述子雷射脈衝連續輻照所述基底，使所不基底的表面溫度穩定於一預定範圍內。
11.如權利要求10所述的雷射退火方法，其特徵在於，所述使所述單脈衝雷射按延時需要和能量比例分解為若干份子雷射脈衝具體包括: a)根據一設定的分光比例選擇一分光鏡； b)將所述單脈衝雷射分經過所述分光鏡後被分為兩束，其中一束直接用於輻照所述基底，另一束進入一延時器延時後出射； c)所述延時器的出射光束再次經過所述分光鏡被分為兩束，其中一束用於輻照所述基底，另一束再次進入所述延時器延時後出射； d)重複步驟b、c或重複步驟a、b、C。
12.如權利要求11所述的雷射退火方法，其特徵在於，所述延時器包括鏡面平行的兩面反射鏡，以及角度或位置可調節的出射端和接收端。
13.如權利要求12所述的雷射退火方法，其特徵在於，調節所述出射端及接收端的角度或位置可調節所述延時器的延時時間。
14.如權利要求12所述的雷射退火方法，其特徵在於，所述出射端和接收端分別為一出射頭端和一接收頭，或者·一出射反射鏡和一接收反射鏡。
【文檔編號】H01L21/268GK103578943SQ201210258008
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月25日 優先權日:2012年7月25日
【發明者】張俊, 李志丹, 李喆 申請人:上海微電子裝備有限公司