激光退火装置及方法与流程
本发明涉及硅片加工领域，尤其涉及一种硅片光刻后的退火装置及方法。
背景技术：
在摩尔定律的推动下，芯片制造业在过去的数十年中经历了快速发展。这种持续的快速发展源自于芯片尺寸的持续缩小。与之相应地，这种更小的尺寸对芯片的加工制造工艺提出了越来越高的困难和挑战。传统的硅片快速热退火方式已经很难满足45nm及更高节点的要求。新的退火技术替代正在被大量研究。
近年来由于激光应用技术的发展，激光退火技术已显示出良好的应用前景。激光退火相对传统退火，其热预算小，激活效率高，可以很大程度减小掺杂杂质的热扩散，并降低热应变。
当硅片经过光刻工艺之后，表面的不同位置处会形成不同的纳米(nm)级几何结构以及材料属性，导致表面的不同位置处对入射激光能量的吸收不一致，从而导致激光退火后表面的温度分布均匀性变差，即所谓的图案效应。
如图1所示，对于经过特定光刻工艺处理之后的硅片表面的结构示意图。可以看到，硅片表面有一系列黑色的方框所示的裸芯片构成。对于形成的裸芯片，在表面上具有纳米(nm)级空间尺度的一系列特定的空间结构，并且在内部深度处具有不同的材料成分，如图2所示。基于上述因素，根据电磁波理论，对于具有特定波长λ和入射角θ的入射光，硅片表面处的反射率rθ，λ(x,y)是位置的函数，其中(x,y)表示待退火的硅片表面处的位置坐标。
在激光退火过程中，对于上述的目标硅片，利用激光作为能量源，照射待处理硅片的表面，使得硅片达到规定的退火温度t0，实现目标退火。如上所述，由于反射率rθ，λ(x,y)是位置的函数，因此导致给个位置处吸收的激光能量产生差异，进一步导致待处理硅片不同位置的的温度分布存在一定的范围△t，这种由于表面的反射率或者吸收率不同导致的温度差异，一般称之为“图案效应”。
这种图案效应所导致的温度非均匀性，将产生差异性的掺杂粒子的扩散动力学行为，最终会对硅片内器件性能的一致性产生重要的影响。因此，在激光退火过程中，避免图案效应，使温度变化△t保持在一个可接受的范围内是一个重要的课题。
还需指出：
图1是经过光刻工艺后的，携带有裸芯片分布的硅片示意图，其中圆形的带有点状图案的部分表示硅片；长方形的带有栅形图案的部分表示裸芯片：
图2为裸芯片的几何结构和材料属性示意图，左上图表示单个裸芯片，右上图表示硅片表面处裸芯片的周期性空间分布；右下方给出了沿硅片内部方向上，四种不同的材料属性，a表示全硅材料(si)，b表示硅材料上面生长由多晶硅(p-si)，c表示硅材料的上面生长由二氧化硅(sio2)，其上面又覆盖有多晶硅(p-si)，d表示硅材料的上面生长由二氧化硅(sio2)。
现有技术中，us2013/0196455a1是利用长波长co2激光器，以布儒斯特角入射的方式，选择性地仅针对特定方向上的偏振光，使不同位置处的rbrewsterangle，λ(x,y)差异降低，从而减轻图案效应。
在这种方案中，存在如下问题：
1、无法完全消除图案效应：一方面正交方向上的偏振光部分与待处理硅片表面相互作用时，仍然会被部分地吸收；另一方面，理论上的布儒斯特角只能无限逼近，而对于具有一定空间分布的光斑，必定在布儒斯特角附近具有一定分布，因此上述特定偏振方向上的入射光也存在图案效应；
2、工艺适应性差，控制自由度低：对于复杂多变的硅片表面图案，无法采取相应的消图案效应措施。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是如何有效处理图案效应。
为了解决这一技术问题，本发明提供了一种激光退火装置，包括主机、激光光源分系统、光学分系统、空间光强调制分系统以及温度监测分系统，
所述激光光源分系统，被所述主机控制，生成并输出激光；
所述温度监测分系统，监测硅片表面所述激光照射位置处的温度，并反馈至所述主机；
所述光学分系统，被所述主机控制，对所述激光光源分系统输出的激光进行整形和传输，得到光强均匀分布的光斑；
所述空间光强调制分系统，被所述主机控制对所述光学分系统出射的激光进行调制，使得入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，从而使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致，且该能量能够依据所监测的温度确定；
所述主机依据所述温度监测分系统的反馈控制所述激光光源分系统、光学分系统和空间光强调制分系统。
可选的，所述激光光源分系统包括一个或者多个激光器，各个激光器被所述主机独立控制。
可选的，所述光学分系统包括：
光斑探测机构，对所述激光光源分系统输出的激光进行能量及相应的光斑位置的测量并反馈至主机；
能量衰减机构，被所述主机控制，依据所述光斑探测机构的测量结果，对所述激光光源分系统输出的激光的能量进行控制；
扩束准直机构，被所述主机控制，对所述能量衰减机构控制后的激光进行光斑形状的控制；
以及匀光机构，被所述主机控制对形状被控制后的激光光斑进行整形，进而得到均匀的光斑。
可选的，所述空间光强调制分系统包括空间光强调制器和装载所述空间光强调制器的调制器装载台，其中：
所述空间光强调制器，被所述主机控制，将经所述光学分系统后出射的均匀的光斑透射或反射至所述硅片表面。
可选的，经所述空间光强调制器后出射的激光的透光率tθ,λ(x,y)与所述硅片表面的反射率rθ,λ(x,y)相适应，满足以下关系：
其中，所述激光的透光率tθ,λ(x,y)指从所述空间光强调制器出射的激光与入射至所述空间光强调制器的激光之比，λ为入射光的波长，θ为入射光的入射角，(x,y)表示所述硅片表面处的位置坐标。
可选的，退火时所述空间光强调制器和所述硅片均被离散为若干空间格点，所述空间光强调制器上相邻空间格点所对应的反射率进行取值所允许的最大距离max(△x,△y)需满足：
其中，所述△x为所述硅片上相邻空间格点沿x向的距离，所述△y为所述硅片上相邻空间格点沿y向的距离，所述
可选的，所述主机包括控制所述激光光源分系统的激光光源控制分系统、控制所述光学分系统的光学控制分系统和控制所述空间光强调制分系统的空间光强调制控制分系统。
可选的，所述的基于反射率分布改善退火均匀性的退火装置还包括硅片载片台，所述硅片装载于所述硅片载片台，且被所述主机控制驱动所述硅片进行水平移动，从而使得光斑能够遍及所述硅片表面。
可选的，所述硅片载片台通过硅片载片台控制分系统被所述主机控制。
可选的，所述硅片载片台还能够被所述主机控制驱动所述硅片进行竖向移动，以满足焦深需求。
可选的，所述空间光强调制分系统还包括空间光强调制成像单元，对经过所述空间光强调制器调制后的光斑进行缩小或放大。
可选的，所述的激光退火装置还包括振镜扫描分系统，控制所述光斑相对所述硅片运动，使得所述光斑能够遍及所述硅片表面。
本发明还提供了一种激光退火方法，包括以下步骤：
步骤1、以拟采用的退火波长和激光入射至硅片表面的入射角，对具有表面图案的硅片进行退火，测量出所述硅片表面的反射率；
步骤2、制作空间光强调制器，使经过所述空间光调制器调制后的激光入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致；
步骤3、将一具有相同表面图案的硅片上载至工件台；
步骤4、控制所述工件台运动，使经过所述空间光强调制器后的光斑遍及整个硅片表面，完成所述硅片的退火；
步骤5、重复步骤3，直至完成所有具有相同表面图案的硅片的退火。
可选的，经所述空间光强调制器后出射的激光的透光率tθ,λ(x,y)与所述硅片表面的反射率rθ,λ(x,y)相适应，满足以下关系：
其中，所述激光的透光率tθ,λ(x,y)指从所述空间光强调制器出射的激光与入射至所述空间光强调制器的激光之比，λ为入射光的波长，θ为入射光的入射角，(x,y)表示所述硅片表面处的位置坐标。
可选的，退火时所述空间光强调制器和所述硅片均被离散为若干空间格点，所述空间光强调制器上相邻空间格点所对应的反射率进行取值所允许的最大距离max(△x,△y)需满足：
其中，所述△x为所述硅片上相邻空间格点沿x向的距离，所述△y为所述硅片上相邻空间格点沿y向的距离，所述
可选的，所述步骤4还包括，控制所述空间光调制器与所述工件台同步运动，使经过所述空间光调制器后的光斑遍及整个硅片表面。
本发明提出一种激光退火设备和激光退火方法，其主要内容为基于目标待退火硅片的反射率分布，采用与之相对应的空间光强调制分系统，使待退火硅片各处吸收的能量均匀一致，从而消除图案效应，保证器件性能的一致性。
附图说明
图1是现有技术中光刻工艺后的硅片的示意图；
图2是现有技术中光刻工艺后裸芯片材料和结构示意图；
图3是本发明一可选实施例中基于反射率分布改善退火均匀性的退火装置的示意图；
图4是本发明一可选实施例中光学分系统的示意图；
图5a是本发明可选实施例中空间光强调制分系统的示意图；
图5b是本发明可选实施例中空间光强调制器的特征示意图；
图6是本发明可选实施例中温度随热源距离的变化示意图。
具体实施方式
以下将结合图1至图6对本发明提供的基于反射率分布改善退火均匀性的退火装置进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
本发明提供了一种基于反射率分布改善退火均匀性的退火装置，包括主机000、激光光源分系统100、光学分系统200、空间光强调制分系统300以及温度监测分系统400，其中：
所述温度监测分系统400，监测硅片表面激光照射位置处的温度，并反馈至所述主机；换言之，其实时监测待处理硅片(wafer)表面激光照射区域(spot)温度；进一步具体来说，由高温计或者反射率探测器构成，可以实现对光斑位置处的硅片上表面的温度进行实时测量。实时测得温度信号，作为反馈控制的依据反馈到主机000。
所述激光光源分系统100，被所述主机000控制，生成并输出激光；其可以理解为用于产生和控制激光。所述激光光源分系统100包括一个或多个激光器，各个激光器被所述主机独立控制。同时根据主机000所提供的控制信号，通过激光光源控制分系统c100可以实现对各个激光器所输出激光的功率/能量、波长进行独立调控。在本发明可选的实施例中，激光器的能量/功率可调。
所述光学分系统200，被所述主机000控制，对所述激光光源分系统100输出的激光进行整形和传输，得到光强均匀的光斑；主要用来对光束进行整形和输运；
在本发明可选的实施例中，所述光学分系统200包括：
所述光斑探测机构2001，对所述激光光源分系统100输出的激光进行能量及相应的光斑位置的测量并反馈至主机000；
所述能量衰减机构2002，被所述主机000控制，依据所述光斑探测机构2001的测量结果，对所述激光光源分系统100输出的激光的能量进行控制；
所述扩束准直机构2003，对所述能量衰减机构2002控制后的激光进行光斑形状的控制。
所述扩束准直机构2003，被所述主机000控制，对激光光斑的形状进行控制；
所述匀光机构2004，被所述主机000控制对形状被控制后的激光光斑进行整形，进而得到均匀的光斑。
基于以上可见，每个独立的光学分系统200均包含：光斑探测系统2001，由功率计和ccd等能量检测器件和图像获取器件构成，可以通过实时监测激光的能量/功率和实时测量光斑在硅片内的相对位置，这些数据相互输入到主机000)中，反馈至载片台控制系统c400实现对整个硅片的退火；能量衰减系统2002，由衰减片或者波片加偏振分束棱镜的方式构成，通过改变镜片透过率或者偏振方向的方式，实现对入射到硅片(wafer)表面的能量进行实时控制；扩束准直系统2003，可采用单透镜或望远镜系统构成，实现对照射到硅片表面的光斑(spot)形状进行控制；匀光系统2004，可采用微透镜阵列或积分棒构成，使整形之后的光斑具有特定光强分布。传统上，经过光学分系统之后的光斑一般具有线状的光强均匀分布，具有较高的纵横比，即在扫描方向上较窄，非扫描方向上较长。
所述空间光强调制分系统300，被所述主机000控制对所述光学分系统200出射的激光进行调制，使入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，从而使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致，且该能量能够依据所监测的温度确定；
进一步来说，本发明可选的实施例中，所述空间光强调制分系统300包括空间光强调制器3001和调制器装载台3002，其中：
所述空间光强调制器3001，被所述主机000控制，将经所述光学分系统后出射的均匀的光斑透射或反射至所述硅片表面；
所述调制器装载台3002，装载所述空间光强调制器3001，且被所述主机000控制进行移动。
当经过光学分系统200整形后的均匀光斑，经过空间光强调制器3001的透射或者反射至待退火硅片表面处，形成空间非均匀的光场分布；通过主机000对硅片载片台500和空间光强调制器3001的调制器载片台3002进行同步运动，使经过调制后的非均匀光斑遍及待退火硅片表面，完成退火过程。
图5(b)给出了空间光强调制器3001的大体示意图。左侧图片给出空间光强调制器3001的透光率的变化(以灰度数值大小表示)；右侧图片给出了大体空间布局和空间格点的关键尺寸。
从功能上讲，空间光强调制器3001位于硅片和光学分系统200之间，目的对经过光学分系统200所形成的均匀光斑，通过空间透光率的变化，在硅片表面处形成与硅片表面的反射率rθ，λ(x,y)相对应的光强分布光斑，从而保证硅片表面各位置处所吸收的能量是一致的。
本发明其他可选的实施例中，空间光强调分系统300，还可以增加具有远心性质的、且具有一定倍率的空间光强调制成像单元3003，用于对经过调制后的光斑进行缩小或者放大，易于空间光强调制器3001的制作。
可见，在本发明可选的实施例中，经所述空间光强调制器后出射的激光的透光率tθ,λ(x,y)与所述硅片表面的反射率rθ,λ(x,y)相适应，满足以下关系：
其中，所述激光的透光率tθ,λ(x,y)指从所述空间光强调制器3001出射的激光与入射至所述空间光强调制器3001的激光之比，λ为入射光的波长，θ为入射光的入射角，(x,y)表示所述硅片表面处的位置坐标。
对于几何形状和尺寸，主要取决于待退火硅片的几何形状和尺寸，更进一步，由于在空间光强调制器后面，可以放置放大或者缩小的光学成像系统，但必须保证硅片上表面和空间光强调制器面具有一一对应的映射关系。
对于空间光强调制器3001的空间格点关键尺寸，定义为在硅片表面处，空间光强调制器内相邻空间格点反射率进行取值的所允许最大距离，即max(△x,△y)需满足以下关系：
其中，所述△x为所述硅片上相邻空间格点沿x向的距离，所述△y为所述硅片上相邻空间格点沿y向的距离，所述
本发明大多数可选的实施例中，所述主机依据所述温度监测分系统的反馈控制所述激光光源分系统、光学分系统和空间光强调制分系统，尤其控制其中的空间光强调制分系统。
在本发明可选的实施例中，所述的激光退火装置还包括硅片载片台500，所述硅片装载于所述硅片载片台500，且被所述主机00控制驱动所述硅片进行水平移动，从而使得光斑能够遍及所述硅片表面。所述硅片载片台500还能够被所述主机控制驱动所述硅片进行竖向移动，以满足焦深需求。具体来说，载片台500由至少具有水平面内可以自由运动的运动台构成，可以实现承载硅片，使硅片相对于光斑运动，遍及整个硅片实现对整个硅片的退火。同时还应该，满足使硅片保持在光学分系统的焦深之内。
在本发明可选的实施例中，退火设备，也可以通过振镜等方式，使光斑相对于硅片运动，遍及整个硅片，实现单个硅片的退火。具体举例来说，激光退火装置还包括振镜扫描分系统，控制所述光斑相对所述硅片运动，使得所述光斑能够遍及所述硅片表面。
对于以上可选实施例中，所述主机包括控制所述激光光源分系统的激光光源控制分系统、控制所述光学分系统的光学控制分系统和控制所述空间光强调制分系统的空间光强调制控制分系统。。
还需要指出的是，作为一种设备，还应该具有其他一些设备应该具有的通用的分系统，比如环境控制分系统、框架分系统、硅片传输分系统等，以及相应的控制分系统，在这里不再一一叙述。
本发明还提供了一种激光退火方法，包括以下步骤：
步骤1、以拟采用的退火波长和激光入射至硅片表面的入射角，对具有表面图案的硅片进行退火，测量出所述硅片表面的反射率；
步骤2、制作空间光强调制器，使经过所述空间光调制器调制后的激光入射至所述硅片表面处的光斑的光强分布与所述硅片表面的反射率相对应，使得所述硅片表面各光斑位置处所吸收能量相一致；
步骤3、将一具有相同表面图案的硅片上载至工件台；
步骤4、控制所述工件台运动，使经过所述空间光强调制器后的光斑遍及整个硅片表面，完成所述硅片的退火；
步骤5、重复步骤3，直至完成所有具有相同表面图案的硅片的退火。
本发明可选的实施例中，经所述空间光强调制器后出射的激光的透光率tθ,λ(x,y)与所述硅片表面的反射率rθ,λ(x,y)相适应，满足以下关系：
其中，所述激光的透光率tθ,λ(x,y)指从所述空间光强调制器出射的激光与入射至所述空间光强调制器的激光之比，λ为入射光的波长，θ为入射光的入射角，(x,y)表示所述硅片表面处的位置坐标。
本发明可选的实施例中，退火时所述空间光强调制器和所述硅片均被离散为若干空间格点，所述空间光强调制器上相邻空间格点所对应的反射率进行取值所允许的最大距离max(△x,△y)需满足：
其中，所述△x为所述硅片上相邻空间格点沿x向的距离，所述△y为所述硅片上相邻空间格点沿y向的距离，所述
本发明可选的实施例中，所述步骤4还包括，控制所述空间光调制器与所述工件台同步运动，使经过所述空间光调制器后的光斑遍及整个硅片表面。
综上所述，本发明提出一种激光退火设备和激光退火方法，其主要内容为基于目标待退火硅片的反射率分布，采用与之相对应的空间光强调制分系统，使待退火硅片各处吸收的能量均匀一致，从而消除图案效应，保证器件性能的一致性。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！