[0096]用于加热和熔化硅的改进方法
[0097]为了改进作为自对准金属接触形成过程的一部分的激光掺杂工艺的质量，需要以与先前利用传统激光器系统进行的方式不同的方式来加热硅。熔化之后为了将掺杂剂掺合到硅中，需要在时间h上将热连续施加于熔化区域(见图5)，以在至少一微秒内且优选地在2-10微秒内保持温度近似恒定。这允许有足够时间使掺杂剂在整个熔化区域均匀地重新分布，同时保持熔化容量近似恒定(这在温度变化的情况下是不可能的)。为了实现上述，在给定位置中从激光器接收到的功率需要随时间改变，如图5所示，其中，要求持续时间^的脉冲的初始高功率区域快速熔化硅，而较低功率的尾部需要具有适当的持续时间t2和功率级别，使得保持在所需持续时间上保持熔化区域在近似恒定温度。特别重要的是，硅在高达2-10微秒上保持熔化，以确保将足够量的掺杂剂掺合到熔化区域并且在熔化硅内适当地混合这些掺杂剂。这种工艺同时通过破坏覆盖介电层(通常氮化硅)，来暴露重度掺杂硅表面。这便于后续形成金属接触，例如，通过将金属直接镀到这些重度掺杂区域。因此，该工艺带来选择性发射极的形成，从而经由激光掺杂工艺形成的小面积金属接触自动与图1所示的重度掺杂区域自对准。
[0098]针对硅的激光掺杂的解决方案是产生激光脉冲，激光脉冲的能量如图5所示根据时间，能量的初始峰是用于在足够持续时间h内将硅加热到其熔点，而脉冲的后续和更长的部分在持续几个微秒的更低能级上，并且在将熔化硅保持在近似恒定温度的能量强度上。在脉冲结尾处，激光能量在时间段t3内下降，允许冷却和固化娃，直到下个激光脉冲到达。理想地，结合激光束的扫描速度Vsran，选择这些脉冲的频率Fpul_，使得时间1/ (Fpulses)中扫描束所传播的距离在光束直径的50-100%范围内。这确保激光掺杂形成连续线，但是防止邻近脉冲之间的过度交叠，使得任何硅不会被熔化两次以上，以免过度热循环。例如，如果^_是lm/s，频率是100kHz，则激光束在并置脉冲的开始之间的时间内相对于硅表面移动10微米。这表示典型光束直径的近似67% (近似15微米)。
[0099]实现这种结果的一种方法是将两个激光束叠加在彼此之上，从而以期望脉冲频率下对一个激光束进行Q开关，其中每个脉冲的功率接近熔化硅所需的每个脉冲的功率，而第二激光器在连续波稳态模式下操作，提供适合于保持熔化硅在近似恒定温度的能级。后一种激光功率太低，以至于在每个位置暴露于激光器下时不能熔化硅(或者，如果后一种激光器功率的确熔化硅，那么所花费的时间也太长，使得硅无法在足够长时间上保持熔化)。然而，叠加来自另一激光器(具有独立光学腔)的Q开关激光脉冲允许将硅快速地加热到用于熔化的适当温度，其后，低功率cw激光器提供足够能量来保持硅熔化。然而，在这种方法中，当将光束扫描过晶片表面时，并置激光脉冲之间的重叠是必要的，以确保熔化且掺杂的区域的连续性。这会是一个问题，因为由于低功率激光器保持其温度恒定，来自一个脉冲的熔化硅在下个脉冲到达时仍保持熔化，由于与下个Q开关脉冲的后续交叠，因此危险使已经熔化的硅达到其气化温度。因此看起来利用该方法，少量的烧蚀是不可避免的，尽管该方法与利用传统Q开关或连续波激光器进行的激光掺杂相比仍具有显著改进。理想地，低功率cw激光器需要在紧接下个Q开关脉冲到达之前降低或停止其功率，以允许硅在某种程度上冷却。尽管激光器系统在理论上被配置为以这种方式进行工作，但是实际上，对准两个激光器很困难，使其在最好的情况下不可靠，且在最坏的情况下不可工作。
[0100]另一种方法涉及控制Q开关激光器的Q，这在理论上便于形成如图5所示功率依据时间的激光脉冲。在正常Q开关激光器中，这不是现有功能，因为引入到光学腔中的损耗本质上是二元的，仅具有两个离散级别，一个级别使Q较高(低损耗)，从而激光器增益较高，一个级别使Q较低(高损耗)，从而增益较低。根据利用无限可变Q值来控制腔的Q的特殊设计布置，在理论上能够构造如图5所示能量脉冲的功率与时间曲线，其中初始高能量区域具有适当的峰值功率级和持续时间来熔化硅，尾部也具有适当的功率级和持续时间，以保持在足以充分混合掺杂剂的时间内将已熔化区域保持在近似恒定温度，随后是更低能级下的短暂时间段，这允许硅在下个激光脉冲到达之前充分冷却。选择脉冲的整体时序和频率，以给出并置脉冲之间所需的交叠水平。
[0101]用于实现上述方法的等同效果的另一种方法是利用小间距的脉冲序列(具有比正常Q开关脉冲低得多的能量)来合成功率与时间曲线，间距小的脉冲序列在被“滤波”以去除最高次谐波时产生图5的功率与时间曲线。这可以使用仅以二元形式在光学腔中仅引入损耗的更传统的Q开关布置来进行，其中损耗级别仅是较高或较低，但是相对于施加损耗的时间长度而言，可以以更受控的方式来施加损耗。当要产生Q开关脉冲时，去除对光学腔有意施加的损耗，因此实现受激发射和高能量脉冲的产生。如果在脉冲产生的中途足够快地重新施加损耗，则激发态下的电子数目N可以保持接近Nth或超过Nth，因此使得几乎立即产生另一脉冲是可行的。因此，可以在更长时间段上产生一系列更小脉冲，而不产生单个短高能量脉冲，在这之后N下降至可忽略值。当对硅施加这样的能量脉冲序列时，若脉冲之间的时间段足够短(远低于纳秒)，硅的有限热传导率意味着，仅仅是通过激光脉冲共同传递至硅的能量的量，而不是其所采用的实际形式(即，功率与时间关系)，这是重要的。例如，从正熔化的硅的角度来看，图7中所示的两种形式激光输出是等同的，如果“t”远低于纳秒。由于硅所执行的该“滤波”功能，使得能够根据在时间上间距小的多个小脉冲，虚拟地合成任何期望的激光输出。
[0102]为了实现对上述每个小脉冲的大小的控制，可以使用与光学腔中的光子通量关联的反馈，使得当在形成Q开关脉冲期间光子通量达到特定级别时，可以将损耗重新引入到光学腔中，以防止进一步受激发射，并因此防止形成高能量脉冲的其余部分(否则就会发生)。参照图12，可以应用这种反馈的一种方式是使用光学腔非输出端上的微透射型反射镜，利用诸如太阳能电池之类的光敏器件测量通过反射镜出射的光的强度，该光强度与光学腔中的光子通量成比例。对该光强度的测量可以用于确定应当将损耗重新施加于光学腔的时间。
[0103]作为该方法的示例，可以通过图8的曲线B所示的短脉冲序列等效地合成图8的曲线A。
[0104]合成图5的功率与时间曲线的备选且创新的方法是利用这种类型激光器的瞬变行为来有意触发一系列高频小脉冲，每个峰值功率远超过激光器的稳态连续波输出，但是远低于Q开关激光器的正常水平。这样的瞬变响应应当能够在操作在稳态cw模式下时通过在一微秒的若干分之一(长到足以停息激光发射动作与相应的受激发射)内将光损耗引入到光学谐振器来触发，从而将光子通量降低至近似为零。在这种情况下，N应当保持近似等于Nph，但是逐渐增加到超过Nph，因为被激发电子的产生显著超过它们的复合。这允许将能量存储在激光棒中，由具对光学腔施加损耗的持续时间确定来存储能量的量。如果损耗是几乎立即去除的，则允许重新发起受激发射，但是由于远低于稳态值的低光子通量，在比稳态低的级别下重新发起。因此，这应当允许增益在N继续增加到远超过Nph(如图9所示)的时间段上保持低于1。增加的N和光子通量会最终引起增益超过1，触发从激光输出中产生小脉冲。这样的脉冲引起N下降至远低于Nph，但是值仍远超过在正常高能量Q开关脉冲之后存在的值。在这种情况下，增益自然下降至低于单位1，而无需将损耗引入到光学腔中，从而光子通量不会降低至这样的低值。该过程自身重复，除了如图9所示下个脉冲应当小一点以外，因为光子通量不需要几乎从零构建，因此可以更快地触发。在其他若干个这种循环之后，其中如图所示每个后续脉冲变小一点，激光输出放松回到稳态输出。
[0105]对于激光掺杂工艺重要的是，在欠阻尼响应的瞬变时间段期间这些小脉冲的频率足够高，使得由于硅的有限热传导率，吸收能量的硅不会有机会在小脉冲之间明显地改变温度。因此类似于方法3中，硅有效地滤波图9的波形。因此重要的是瞬变时间段期间传递至硅的平均能量，在瞬变时间段之后，可以使激光器在至少长到熔化硅以便于充分掺杂剂混合所需的时间内以连续波进行操作。如果可以在需要时且在期望持续时间上将损耗引入到光学腔内，这与将激光器功率设置在稳态cw操作所需的级别下以保持熔化的硅在近似恒定温度相结合，因此该方法在理论上也可以用于控制针对激光掺杂工艺的图5的功率与时间曲线的所有重要方面。这包括总脉冲的持续时间(出于在所需时间段内将硅保持在其熔化状态下的目的)，控制脉冲的初始高能量瞬变部分的能量的量(通过控制将损耗引入到光学腔中的持续时间来熔化硅)，以及脉冲的稳态cw时间段期间的功率级(在掺杂剂充分混合时将硅保持在恒定温度下)。已知的现有激光器不具有这种功能，或者对于用户而言不能获得该功能。必须开发用于控制Q开关的新电路来将损耗引入到光学腔中，以实现这种灵活性和用户的控制。
[0106]另一种方法是在连续波模式下使用532nm波长激光器，以避免恶化缺陷产生的热循环，但是同时在加热/熔化工艺期间移动激光束，以控制传递至在特定位置处被掺杂的硅的能量的量，从而控制其达到的温度。例如，通过将激光能量传递至邻近位置并且使用硅的热阻和远离该位置的距离，来控制将多少能量传递至被掺杂的位置，从而在某种程度上对激光掺杂的特定位置进行加热，而无需直接暴露于激光束下。例如，如果能够将激光束从一个位置立即移动至另一位置，则使传递至正进行激光掺杂的特定位置的功率采用图5的形式，从而时间段^表示对正进行激光掺杂的位置初始直接施加连续波(cw)激光，其后，在时间t2ft重新定位到邻近位置，在邻近位置中硅的热阻降低了传递至激光掺杂的位置的能量，如图5所示，其后将激光束远远地移除，使得传递至激光掺杂的位置的能量降低至可忽略值。尽管在理论上这是可行的，但是实际上，激光器不能如此进行操作，首先因为激光器不能立即改变位置，其次，因为激光束即使在被聚焦时也具有有限直径，通常也大于10微米，这使其不能在^期间将图5形式的功率精确传递至直接暴露于硅光束下的硅的所有部分。
[0107]然而，通过适当控制cw激光器的稳态功率Ess，然后以适当速度向着要进行激光掺杂的位置扫描激光束，然后以适当速度再次从该位置移开，传递至该特定位置的能量可以采用如图10的顶部图表所示的形式。如图10的底部图表所示，这便于在该位置中熔化硅，同时还便于在至少2微秒上保持硅熔化，以实现充分掺杂剂混合，同时避免硅的烧蚀和重复的热循环。然而，如果激光器的扫描速度过高，则硅在激光掺杂的位置处甚至不能到达熔化温度，或者备选地，硅可以被熔化，但是不能保持熔化足够长时间使得掺杂剂充分混合。在另一个极端情况下，如果对于给定激光功率Ejt光扫描速度太低，则会将太多能量传递至已熔化硅，并且超过温度Tv，在温度1；下硅和掺杂剂被烧蚀。
[0108]类似地，对于充分执行激光掺杂工艺的来自激光器能量Ess，仅存在特定范围的可接受功率级。EJ直太低将不能熔化硅，否则迫使激光器以低的扫描速度来实现熔化，致使该工艺不可行。在另一极端情况下，EJ直太高迫使高的激光扫描速度以避免硅烧蚀，传递至位置的能量太快速地降至太低值，致使无法在所需的2微秒或更长时间上保持硅熔化。
[0109]例如，使用13瓦