一种激光退火装置及激光退火方法
【专利摘要】本发明公开一种激光退火装置，包括：一激光光束发生模块，用于提供一稳定的单脉冲激光；一循环延时装置，用于将该单脉冲激光分解为若干子脉冲激光；一光学模块，用于将该子脉冲激光汇聚至一基底上；一运动台，用于为该基底提供至少一个自由度的位移。本发明同时公开一种激光退火方法。
【专利说明】一种激光退火装置及激光退火方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于半导体材料加工【技术领域】，尤其涉及一种激光退火装置及激光退火方法。
【背景技术】
[0002]退火处理，主要是指将材料曝露于高温一段很长时间后，然后再慢慢冷却的热处理制程。传统的炉子加热退火，即使在高达1100度下退火，仍不能彻底消除结晶缺陷。激光退火则能比较彻底地消除缺陷。半导体激光退火使用的光谱波长范围很宽，从UV (紫外)到IR (红外)波段的激光器都有。工作方式也多种多样，如美国专利US6336308和US7365285中所公开的单脉冲激光退火，高频率Q开关脉冲激光退火，连接波激光扫描退火，同波长双激光扫描退火，不同波长双激光扫描退火等。
[0003]如文献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 以及文献UL Dual beam laser spike annealingtechnology都有提到双激光退火的激活效果比单激光退火好。如上文所示，双激光有两种，一种是同一波长的两个脉冲不同时间福射到娃平面(如文献Silicon laser annealingby a two-pulse laser system with variable pulse offsets, V.Gonfa, etc 以及文献 Laser Annealing of double implanted layers for igbt power devices, ClementSabatier, etc中公开的内容所示)，另外一种是采用长波的连续激光或脉冲激光进行预热，然后再用短波进一步退火(如文献UL Dual beam laser spike annealing technology所示)。目前双激光方式的激光退火装置已经在行业中开始应用于IGBT、TFT等领域。
[0004]现有技术中Liquid Phase Reflectivtity under Conditions of Laser InducedSilicon Melting中所介绍:激光退火过程中，当娃表面融熔后,表面液态娃是原来固态娃的反射率的2倍，此时激光脉冲的激光能量被大量反射出去，而不被硅吸收，降低了激光能量利用率，影响了退火效果。
[0005]该影响对单激光退火或双激光退火都存在。如果拉长双脉冲激光的延时，则有的时间温度过低，达不到退火要求(比如高于1300度的时间大于50ns)。在很多应用中，不一定需要达到熔点1414度附近即可达到退火效果(如现有技术中的文献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)，比如太阳能退火(如现有技术中的文献 PULSED LASER ANNEALING AND RAPID THERMAL ANNEALING OF COPPER-1 ND IUM-GALLIUM-DISELENIDE-BASED THIN-FILM SOLAR CELLS 所示)。
[0006]无论是单脉冲激光还是双脉冲激光，当温度超过熔点，吸收率减半，降低了能量利用率。此外，以上两种方案都有可能引起温度超过激活退火所需温度(比如1100度，激活效率90%以上)的时间较短(比 如小于100ns)，从而影响了退火效果。如何提高能量利用率，并改善退火效果，成为激光退火中需要改进的重要问题。
[0007]有鉴于此，本发明提出一种激光退火装置，能将单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份激光脉冲，在这些激光脉冲的连续辐照下，能使得退火期间硅片表面温度能更长时间保持在熔点附近或所需退火温度附近，从而提高了激光能量利用率，进而改善退火效果。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种新的激光退火装置，能将单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份激光脉冲。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明公开一种激光退火装置，包括:一激光光束发生模块，用
于提供一稳定的单脉冲激光；一循环延时装置，用于将该单脉冲激光分解为若干子脉冲激光；一光学模块，用于将该子脉冲激光汇聚至一基底上；一运动台，用于为该基底提供至少一个自由度的位移。
[0010]更进一步地，该循环延时装置至少包括一延时器、一分光镜组以及一内部控制模块，所述内部控制模块用于控制延时器的延时以及分光镜组的分光比例。该循环延时装置还包括若干光纤，用于在该分光镜组与该延时器之间传递激光。该延时器包括镜面平行的两面反射镜，以及角度或位置可调节的出射端和接收端。该出射端和接收端分别为一出射头端和一接收头，或者一出射反射镜和一接收反射镜。该内部控制模块用于调节所述出射端和接收端的角度或位置，以控制所述延时器的延时。该分光镜组包括若干个透射率不同的分光镜以及一转轴，所述内部控制模块驱动所述转轴改变所选用的分光镜，以控制所述分光镜组的分光比例。该若干分光镜到该转轴的距离相等。还包括一主控制器，与所述内部控制器连接，用于发送延时指令及分光比例指令给所述内部控制器。
[0011]本发明同时公开一种激光退火方法，包括:提供一稳定的单脉冲激光，使该单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份子激光脉冲，利用该子激光脉冲连续辐照该基底，使所不基底的表面温度稳定于一预定范围内。
[0012]更进一步地，该使该单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份子激光脉冲具体包括:a)根据一设定的分光比例选择一分光镜；b)将所述单脉冲激光分经过所述分光镜后被分为两束，其中一束直接用于福照所述基底，另一束进入一延时器延时后出射；c)所述延时器的出射光束再次经过所述分光镜被分为两束，其中一束用于辐照所述基底，另一束再次进入所述延时器延时后出射；d)重复步骤b、c或重复步骤a、b、C。
[0013]更进一步地，该延时器包括镜面平行的两面反射镜，以及角度或位置可调节的出射端和接收端。调节所述出射端及接收端的角度或位置可调节所述延时器的延时时间。该出射端和接收端分别为一出射头端和一接收头，或者一出射反射镜和一接收反射镜。
[0014]与现有技术相比较，本发明所公开的激光退火装置，能将单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份激光脉冲，在这些激光脉冲的连续辐照下，能使得退火期间硅片表面温度能更长时间保持在熔点附近或所需退火温度附近，从而提高了激光能量利用率，进而改善退火效果。【专利附图】
【附图说明】
[0015]关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
[0016]图1是本发明所涉及的激光退火装置的整体结构示意图；
图2是本发明所涉及的激光退火装置的循环延时装置的第一实施方式的结构示意图； 图3是本发明所涉及的激光退火装置的循环延时装置的第二实施方式的结构示意图； 图4是本发明所涉及的循环延时装置的分光镜组结构示意图；
图5是本发明所涉及的循环延时装置内脉冲光强示意图；
图6是本发明所涉及的循环延时装置内脉冲光强的能量分布示意图；
图7是本发明所涉及的基底表面接收的退火激光脉冲相对光强示意图；
图8是本发明所涉及的基底表面温度示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
[0018]本发明提出一种激光退火装置，能将单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份激光脉冲，在这些激光脉冲的连续辐照下，能使得退火期间硅片表面温度能更长时间保持在熔点附近或所需退火温度附近，从而提高了激光能量利用率，进而改善退火效果。
[0019]如图1中所示，图1是本发明所涉及的激光退火装置的整体结构示意图。本实施例技术方案包括激光器100、光强调节器101、匀光器203、运动台500、控制器600，还包括了循环延时装置300，其中循环延时装置300用于将激光的单个脉冲分解为若干子脉冲。于本实施例中，控制器600为主控制器，用于发出延时指令及分光比例指令，循坏装置300内部的控制器根据主控制器发出的指令控制循环延时装置发出的若干子脉冲之间的延时以及循环延时装置的分光比例(即能量比例)。
[0020]如图1中所示，图1中所示出的激光退火装置整体结构还包括对激光器100的出射激光进行调整的光学装置和控制装置，如激光器100的出射激光经过一光强调节器101，经过光强调节器101调节后的激光光束经过一分光镜102后激光光束的大部分进入循环延时装置300，另一部分进入一能量探测器105。能量探测器105探测此时激光能量，并将探测结果输入至一激光器控制器104。与此同时，一环境控制单元103探测此时激光器100的工作环境，如温度，并将此时探测结果一并返回至激光器控制器104。激光器控制器104根据环境控制单元103和能量探测器105的输出结果控制激光器100工作。
[0021]循环延时装置300具体包括延时器301、分光镜组302、内部控制器、若干光纤，其中延时器301可根据需要调整脉冲的延时时间，而分光镜组302可调整分光比例。经过分光镜组302输入的激光光束由原来的单个脉冲被分解为若干子脉冲。若干子脉冲经过一扩束器206后进入一勻光器203。子脉冲从勻光器203出射后再次经过一分光镜207后一部分子脉冲进入焦面探测器201，另一部分经过一聚焦镜组202后汇聚在基底204上。
[0022]基底204即待退火的半导体或其他材料，基底204被放置于一运动台500上。该运动台500可以沿若干个自由度运动。
[0023]如图2为本实施例循环延时装置的第一种实施方式的结构示意图。该结构包括延时器301、分光镜组302、内部控制器307、若干光纤310。[0024]其中如图2中所示，延时器301包括两面反射镜304、305、出射头306、接收头303。反射镜304和反射镜305镜面平行放置。出射头306的角度可调整，接收头303的位置可调整，且调整的角度由内部控制器307所控制。若出射头306的光出射角度为Θ，两面反射镜304、305距离为L，高度为H，延时器以外循环延时装置中的光程为L0，则光束每在循环延
时装置中循环一周的光程为
【权利要求】
1.一种激光退火装置，其特征在于，包括: 一激光光束发生模块，用于提供一稳定的单脉冲激光； 一循环延时装置，用于将所述单脉冲激光分解为若干子脉冲激光； 一光学模块，用于将所述子脉冲激光汇聚至一基底上； 一运动台，用于为所述基底提供至少一个自由度的位移。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述循环延时装置至少包括一延时器、一分光镜组以及一内部控制模块，所述内部控制模块用于控制延时器的延时以及分光镜组的分光比例。
3.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述循环延时装置还包括若干光纤，用于在所述分光镜组与所述延时器之间传递激光。
4.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述延时器包括镜面平行的两面反射镜，以及角度或位置可调节的出射端和接收端。
5.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于，所述出射端和接收端分别为一出射头端和一接收头，或者一出射反射镜和一接收反射镜。
6.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于，所述内部控制模块用于调节所述出射端和接收端的角度或位置，以控制所述延时器的延时。
7.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述分光镜组包括若干个透射率不同的分光镜以及一转轴，所述内部控制模块驱动所述转轴改变所选用的分光镜，以控制所述分光镜组的分光比例。·
8.如权利要求7所述的激光退火装置，其特征在于，所述若干分光镜到所述转轴的距离相等。
9.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于还包括一主控制器，与所述内部控制器连接，用于发送延时指令及分光比例指令给所述内部控制器。
10.一种激光退火方法，其特征在于，包括:提供一稳定的单脉冲激光，使所述单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份子激光脉冲，利用所述子激光脉冲连续辐照所述基底，使所不基底的表面温度稳定于一预定范围内。
11.如权利要求10所述的激光退火方法，其特征在于，所述使所述单脉冲激光按延时需要和能量比例分解为若干份子激光脉冲具体包括: a)根据一设定的分光比例选择一分光镜； b)将所述单脉冲激光分经过所述分光镜后被分为两束，其中一束直接用于辐照所述基底，另一束进入一延时器延时后出射； c)所述延时器的出射光束再次经过所述分光镜被分为两束，其中一束用于辐照所述基底，另一束再次进入所述延时器延时后出射； d)重复步骤b、c或重复步骤a、b、C。
12.如权利要求11所述的激光退火方法，其特征在于，所述延时器包括镜面平行的两面反射镜，以及角度或位置可调节的出射端和接收端。
13.如权利要求12所述的激光退火方法，其特征在于，调节所述出射端及接收端的角度或位置可调节所述延时器的延时时间。
14.如权利要求12所述的激光退火方法，其特征在于，所述出射端和接收端分别为一出射头端和一接收头，或者·一出射反射镜和一接收反射镜。
【文档编号】H01L21/268GK103578943SQ201210258008
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2012年7月25日
【发明者】张俊, 李志丹, 李喆 申请人:上海微电子装备有限公司