激光退火方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光退火方法，用于以激光对晶圆进行退火工艺，其包括如下步骤：将晶圆置于工件台上，以激光束经由一激光匀化整形器投射于晶圆表面形成线形激光束斑；其中，工件台具有垂直及水平方向运动导轨；使线形激光束斑与晶圆表面第一切割道方向形成一夹角，以使线形激光束斑的两个端部分别位于晶圆表面的切割道内；使线形激光束斑相对于晶圆沿第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，匀速扫描晶圆表面以对晶圆进行退火工艺。其仅通过简单的机械结构实现，利于实现对晶圆的均匀退火。
【专利说明】激光退火方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光加工【技术领域】，尤其涉及一种激光退火方法及系统。
【背景技术】
[0002]以激光扫描晶圆表面对晶圆进行退火工艺，已广泛应用于半导体加工行业中，由于不同波长的激光在晶圆中的吸收深度不同，激光退火具有退火深度可控的特点。因此，无论是在32 n m及其以下技术节点器件的超浅P N结制备工艺中，还是在功率半导体器件的背面处理工艺中，激光退火技术都显示出不可替代的优势。由于激光器功率和成本的限制，相应于半导体晶圆的尺寸，激光束斑尺寸比晶圆尺寸小很多，通常半导体领域的激光退火需要将激光束整形为两维或一维均匀的光斑(以下称为激光束斑)，以激光束斑均匀地扫描整个晶圆表面，来达到退火目的。
[0003]通常采用的线形激光束斑扫描晶圆表面的方法是，在行扫描阶段，线形激光束斑相对于晶圆表面的运动方向为晶圆表面的一切割道方向，而线形激光束斑自身的方向与该切割道方向垂直，也即，线形激光束斑相对于晶圆表面的运动方向垂直于线形激光束斑自身；在扫描完一行时，线形激光束斑相对于晶圆表面步进至下一行，进行下一轮的行扫描。
[0004]为了保证激光退火的均匀性，上述方法中，要求在进行上、下两行扫描时，激光束斑之间的拼接十分精准，防止对同一枚芯片区域重复退火，这对工件台的定位精度要求很高，甚至达到微米量级及更高的精度，这会使工件台的结构复杂性上升、成本升高。
[0005]对此，现有技术中提供一种解决方案是，根据晶圆上的芯片尺寸来改变激光束斑的尺寸，使激光束斑的端部位于晶圆上芯片之间的切割道内，但这依靠光学系统的变化而实现，又使得光学系统的复杂性上升、成本升高。
[0006]因此，业内需要一种简单易实现、精度高以确保均匀退火的激光退火方法及系统。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的在于提供一种简单易实现、精度高的激光退火方法。
[0008]为实现上述目的，本发明一技术方案如下:
[0009]一种激光退火方法，用于以激光对晶圆进行退火工艺，其包括如下步骤:a )、将晶圆置于工件台上，以激光束经由一激光匀化整形器投射于晶圆表面形成线形激光束斑；其中，工件台具有垂直及水平方向运动导轨；b )、使线形激光束斑与晶圆表面第一切割道方向形成一夹角，以使线形激光束斑的两个端部分别位于晶圆表面的切割道内；第一切割道方向为晶圆表面两相互垂直的切割道方向中的任一切割道方向；c )、使线形激光束斑相对于晶圆沿第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，匀速扫描晶圆表面以对晶圆进行退火工艺；其中，第二切割道方向为晶圆表面垂直于第一切割道方向的另一切割道方向。
[0010]优选地，步骤b )具体包括:b I)、使线形激光束斑的中心位于晶圆表面的一切割道内；b 2)、计算线形激光束斑与第一切割道方向之间的夹角，以满足使线形激光束斑的两端部分别位于晶圆表面的切割道内；b 3)、旋转工件台或旋转线形激光束斑，以使线形激光束斑与第一切割道方向之间形成该夹角。
[0011]优选地，步骤c )具体包括:c I)、沿第二切割道方向匀速移动工件台，使线形激光束斑沿第二切割道方向扫描晶圆表面，直至线形激光束斑离开晶圆表面；c 2)、使工件台沿第一切割道方向步进第一距离；c 3)、重复步骤c I)、c 2)，直至扫描完晶圆表面；其中，第一距离为线形激光束斑在第一切割道方向上的投影长度。
[0012]本发明还提供一种半导体晶圆激光退火系统，用于对放置于工件台上的晶圆进行激光退火工艺，工件台具有水平方向及垂直方向运动导轨，激光退火系统至少包括:一大功率激光器、一扩束镜以及一激光匀化整形器和一控制单元，大功率激光器发射激光光束，扩束镜、激光匀化整形器依次设置于激光光束投射至晶圆表面的光路上，扩束镜减少激光光束的发散，激光匀化整形器将激光光束转换为投射于晶圆表面的线形激光束斑；其中，线形激光束斑与第一切割道方向成一夹角，以使线形激光束斑的两个端部分别落入晶圆表面的切割道内；控制单元控制线形激光束斑相对于晶圆沿第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，匀速扫描晶圆表面以对晶圆进行退火工艺；其中，第一切割道方向为晶圆表面两相互垂直的切割道方向中的任一切割道方向，第二切割道方向为晶圆表面垂直于第一切割道方向的另一切割道方向。
[0013]进一步地，控制单元还控制工件台或激光匀化整形器在水平面内旋转，以使线形激光束斑与第一切割道方向之间形成该夹角。
[0014]本发明提供的激光退火方法及系统，使线形激光束斑与切割道方向成一夹角，并按照切割道方向来相对地移动线形激光束斑，从而使线形激光束斑的两端点(在扫描过程中)分别始终位于切割道内，便于实现上、下两行扫描时激光束斑之间的精准拼接，避免对晶圆上芯片区域的重复扫描，进而实现了对晶圆表面的均匀退火，其仅通过简单的机械结构实现，而无需对光学系统、或工件台复杂而高成本的设计，该方法及系统精度高、且简单易实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1示出本发明第一实施例提供的激光退火方法的流程示意图；
[0016]图2示出本发明第二实施例提供的激光退火方法的流程示意图；
[0017]图3 A示出本发明第一或第二实施例中线形激光束斑示意图；
[0018]图3 B示出本发明第一或第二实施例中以线形激光束斑扫描晶圆表面的示意图；
[0019]图4示出本发明第三实施例提供的激光退火系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0021]需要说明的是，在本发明如下实施例中，线形激光束斑相对于晶圆表面的运动扫描，目的在于进行退火工艺。该过程中，激光器发出的激光束以及形成的线形激光束斑均是位置固定的，而由工件台带动晶圆沿X轴、Y轴方向导轨在水平面内移动，在此定义为线形激光束斑相对于晶圆的运动。
[0022]晶圆上分布多枚芯片，各芯片之间以切割道分离开，在切割道处切割晶圆，即可获得芯片，切割道宽度通常为60 u m — 80 um。
[0023]激光退火工艺中，上、下相邻两行扫描的激光束斑的间隔区域或过叠加区域只要不超出切割道的区域，即不会重复扫描或漏扫描芯片区域，从而影响芯片的性能，这种对准方法使得对工件台的对位精度和对激光整形器的要求都大为降低。
[0024]如图1所示，本发明第一实施例提供的激光退火方法，包括如下步骤:
[0025]步骤S 10、将晶圆置于工件台上，以激光束经由一激光匀化整形器投射于晶圆表面形成线形激光束斑。
[0026]具体地，工件台至少具有水平面内的X轴方向及Y轴方向运动导轨，从而可带动晶圆移动至水平面任意位置(不超出导轨范围)，根据实际需要，工作台还可具有一垂直方向的运动导轨，以及具有一水平面内的旋转轨道，从而工件台可在垂直方向运动、以及在水平面内作360度旋转。
[0027]激光匀化整形器包括一电动旋转台，电动旋转台通过一步进电机驱动可在水平面内旋转，从而带动激光匀化整形器转动。激光匀化整形器用于将激光束转换为投射于晶圆表面的一线形激光束斑。
[0028]步骤S 11、使线形激光束斑的中心位于晶圆表面的切割道内。
[0029]该步骤对激光束斑进行一个初始的定位，应使线形激光束斑全部落入晶圆表面之上、最好靠近晶圆的中心，并使得线形激光束斑的中心位于晶圆表面的切割道内。
[0030]为操作简便起见，在较佳实施方式中，首先可使晶圆表面的第二切割道方向平行于工件台的X轴方向导轨，以便随后在进行扫描(后续步骤S 14)时，使工件台仅在X轴方向或仅在Y轴方向运动，即可使线形激光束斑相对于晶圆沿第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，而无需使工件台同时沿X轴方向导轨和Y轴方向导轨运动，简化了对工件台的控制，有助于防止线形激光束斑的重复扫描。
[0031]具体地，为使第一切割道方向平行于工件台的X轴方向导轨，以设于晶圆上方的一摄像头识别出晶圆上的光刻标记坐标，并根据晶圆上两个光刻标记的X和Y坐标位置，微调工件台使其在旋转轨道上转动，直到使晶圆上第一切割道方向平行于工件台的X轴方向导轨。
[0032]其中，第一切割道方向为晶圆表面两相互垂直的切割道方向中的任一切割道方向，例如平行于工件台的Y轴方向导轨，第二切割道方向为晶圆表面垂直于第一切割道方向的另一切割道方向，例如平行于工件台的X轴方向导轨。
[0033]步骤S 12、计算线形激光束斑与第一切割道方向之间的夹角，以满足使线形激光束斑的两端部分别位于晶圆表面的切割道内。
[0034]可以理解，无论线形激光束斑的长度大小如何，或与第一切割道方向的初始夹角如何，通过逐步转动(例如绕线形激光束斑的中心点转动)激光匀化整形器，可实现线形激光束斑的转动，进而使得线形激光束斑的两端部分别位于晶圆表面的切割道内。
[0035]如图3 A所不，晶圆16上分布多枚芯片161,各芯片161之间以切割道分尚开,线形激光束斑20在转动过程中，总能找到一个合适的夹角角度，使得线形激光束斑20的两端部(上端部A、下端部B)分别位于晶圆16表面的不同切割道内。其中，第二切割道方向D2垂直于第一切割道方向D 1，线形激光束斑20与第一切割道方向D I之间的夹角α通过如下公式计算得出:
[0036]公式1:0 ≤ L_nXay〈ay ;以及，公式 2:nXay=LXCosa ；
[0037]其中，L为线形激光束斑20的长度，η为线形激光束斑20在第一切割道方向D I的投影所能覆盖的芯片数目，其至少大于1，例如为4个，a 7为晶圆表面的单枚芯片在第一切割道方向D I的边长。
[0038]根据上述公式1、公式2，可计算出夹角α的角度值，其大于等于O度小于90度，该夹角使得线形激光束斑的两端部A、B分别位于晶圆表面的切割道内。
[0039]步骤S 13、通过旋转电动旋转台带动激光匀化整形器转动，以使线形激光束斑与第一切割道方向之间形成步骤S 12中算出的夹角。
[0040]根据激光匀化整形器的结构，其包括的电动旋转台可在水平面内旋转，从而带动激光匀化整形器转动。
[0041]具体地，该步骤S 13中，通过旋转电动旋转台带动激光匀化整形器转动，在线形激光束斑20与第一切割道方向D I之间形成步骤S 12中算出的夹角α，使得线形激光束斑20的两端部A、B分别位于晶圆16表面的不同切割道内。
[0042]步骤S 14、使线形激光束斑相对于晶圆沿第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，匀速扫描晶圆表面以对晶圆进行退火工艺。
[0043]具体地，请结合图3 B，步骤S 14包括:
[0044]c I)、沿第二切割道方向D 2匀速移动工件台，使线形激光束斑20沿第二切割道方向D 2以匀速速度V扫描晶圆16表面，直至线形激光束斑20离开晶圆表面，完成一行扫描;
[0045]c 2)、使工件台沿第一切割道方向D I步进第一距离，以开始下一行的扫描；
[0046]c 3)、重复步骤c I)及c 2)，直至扫描完晶圆表面；其中，第一距离为线形激光束斑20在第一切割道方向D I上的投影长度。
[0047]在执行步骤c I)的过程中，可保证线形激光束斑20的两端部Α、B始终位于晶圆的切割道内，便于实现上、下两行扫描时激光束斑之间的精准拼接；在执行步骤c 2)的过程中，可先暂停激光束斑对晶圆的扫描，而在工件台沿第一切割道方向D I完成步进动作后，再恢复扫描，以避免对芯片的重复扫描。
[0048]进一步地，若在步骤S 11中，若首先使晶圆表面的第二切割道方向D 2平行于工件台的X轴方向导轨，则在上述步骤C I)中，使工件台仅沿X轴方向导轨匀速移动，在步骤c 2)中，使工件台仅沿Y轴方向步进第一距离；这种动作方式简化了对操作台的控制，作为本发明的一种优选实施方式。
[0049]该第一实施例提供的激光退火方法，以与第一切割道方向成一夹角的线形激光束斑来扫描晶圆，并按照第一或第二切割道方向来相对地移动线形激光束斑，从而使线形激光束斑的两端点(在扫描过程中)分别始终位于切割道内，可实现上、下两行扫描时激光束斑之间的精准拼接，避免对晶圆上芯片区域的重复扫描，使得退火工艺均匀地进行，该方法精度高、且简单易实现。
[0050]如图2所示，本发明第二实施例提供的激光退火方法，包括如下步骤:
[0051]步骤S 20、将晶圆置于工件台上，以激光束经由一激光匀化整形器投射于晶圆表面形成线形激光束斑。
[0052]步骤S 21、使线形激光束斑的中心位于晶圆表面的切割道内。
[0053]步骤S 22、计算线形激光束斑与第一切割道方向之间的夹角，以满足使线形激光束斑的两端部分别位于晶圆表面的切割道内。
[0054]步骤S 23、通过驱动工件台沿其旋转轨道在水平面内旋转，以使线形激光束斑与第一切割道方向形成夹角。
[0055]步骤S 24、使线形激光束斑相对于晶圆沿第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，匀速扫描晶圆表面以对晶圆进行退火工艺。
[0056]其中，步骤S 20、S 21、S 22和上述第一实施例中的步骤S 10、S 11、S 12分别
对应，并以相同的实施方式实现同样的功能。
[0057]该第二实施例提供的激光退火方法，与上述第一实施例中的不同之处在于步骤S23。在步骤S 23中，激光束匀化整形器固定不动，其不需要设置电动旋转台这一部件。因工件台可在4维(X — Y — Z — T )方向运动或旋转，工件台沿其旋转轨道逐步转动，可调整使得线形激光束斑的方向与晶圆第一切割道方向之间成角度ct的夹角，从而使激光束斑的两端部分别位于晶圆上不同的切割道内。
[0058]步骤S 24可采用与第一实施例中步骤S 14相同或不同的扫描顺序，只要可确保扫描过程中线形激光束斑的两端部始终位于晶圆上的切割道内，进而不重复地并且未遗漏地扫描各芯片区域，各种扫描顺序均可采纳。
[0059]根据本发明第二实施例的一【具体实施方式】，其中，线性激光束斑的方向平行于工件台的Y轴方向，通过工件台旋转晶圆，使得晶圆的第一切割道方向与工件台的Y轴方向之间形成夹角α，以使得在下述扫描过程中线形激光束斑的上、下端部始终位于晶圆上的切割道内。
[0060]具体地，在确定激光束斑的初始扫描位置时，例如，先使工件台按照ay/Cosa的步进距离逐步地下移，直至线形激光束斑的上端部位于晶圆最上方的切割道内。然后工件台沿切割道方向向左下方移动(工件台的移动速度为V=-Vx-Vy,其中Vx=|V| XCosa ,Vy=|V| XSina )，使线形激光束斑位于晶圆的右上方，并确定为初始扫描位置。
[0061]在扫描开始后，工件台在一控制单元的控制下运动，使激光束斑沿着与工件台X轴方向成角度a的方向匀速扫描晶圆，即工件台的运动速度为V=-Vx-Vy或V=+Vx+Vy，其中Vx=|V| XCosa , Vy=|V XSina ;完成一行扫描后，工件台在Y方向步进距离L，以开始下一行的扫描。
[0062]其中，a y为晶圆表面的单枚芯片在第一切割道方向的边长，L为线形激光束斑的长度。
[0063]本发明第三实施例提供一种半导体晶圆激光退火系统，如图4所示，其主要组成部分有:大功率激光器11、扩束镜12、衰减器13、反射镜14、激光匀化整形器15以及用于读取晶圆16标记位置的摄像头17，晶圆16放置于工件台18上表面，工件台18具有多个导轨(附图未示出)，可在X — Y — Z三维方向运动，并在水平面内沿T轴旋转，计算机控制系统19可控制工件台18的运动及旋转，以及控制激光匀化整形器15的运动。
[0064]其中，大功率激光器11为激光退火提供能量符合要求的激光光源；扩束镜12调整激光束斑尺寸并减少光束的发散；衰减器13插入光路后可提供一个低功率的激光光斑，用于对晶圆定位，而在进行退火工艺时衰减器13移出光路，使激光功率满足退火要求；激光束匀化整形器15将激光器11产生的非均匀圆形光束转换为线形均匀光束，即激光束斑20，激光束匀化整形器15固定在一个水平面内转动范围为90度的电动旋转台上，可在例如步进电机的驱动下转动相应的角度。
[0065]计算机控制系统19还控制摄像头17采集晶圆表面图像，以获取并识别晶圆16上的光刻标记位置。摄像头17具有一定的放大倍数，以便准确读取和确定晶圆上光刻标记的坐标。
[0066]线形激光束斑20位置固定，通过使工件台18在X轴方向导轨和/或Y轴方向导轨的运动，可使线形激光束斑20在半导体晶圆上进行X — Y二维扫描，从而实现半导体晶圆的激光退火。
[0067]该第三实施例中，线形激光束斑20与第一切割道方向既不平行、也不垂直，而是与其具有一夹角，该夹角大于等于O度小于90度；该夹角使得线形激光束斑20的两端(在扫描过程中)分别始终位于晶圆表面的切割道内，可避免对芯片区域的重复扫描，从而实现均勻退火。其中，第一切割道方向为晶圆表面两相互垂直的切割道方向中的任一切割道方向，第二切割道方向为晶圆表面垂直于第一切割道方向的另一切割道方向。
[0068]该激光退火系统仅通过简单的机械结构实现，而无需对光学系统、或工件台复杂而高成本的设计，其精度高，可实现上、下两行扫描时激光束斑之间的精准拼接，有效避免对晶圆上芯片区域的重复扫描，进而满足对晶圆均匀退火的工艺要求。
[0069]以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种激光退火方法，用于以激光对晶圆进行退火工艺，其包括如下步骤: a )、将晶圆置于工件台上，以激光束经由一激光匀化整形器投射于晶圆表面形成线形激光束斑；其中，所述工件台具有X轴及Y轴方向运动导轨； b )、使所述线形激光束斑与晶圆表面第一切割道方向形成一夹角，以使所述线形激光束斑的两个端部分别位于所述晶圆表面的切割道内；所述第一切割道方向为所述晶圆表面两相互垂直的切割道方向中的任一切割道方向； C)、使所述线形激光束斑相对于所述晶圆沿所述第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，匀速扫描所述晶圆表面以对晶圆进行退火工艺；其中，所述第二切割道方向为所述晶圆表面垂直于所述第一切割道方向的另一切割道方向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括: b I)、使所述线形激光束斑的中心位于所述晶圆表面的一切割道内；b 2)、计算所述线形激光束斑与所述第一切割道方向之间的夹角，以满足使所述线形激光束斑的两端部分别位于所述晶圆表面的切割道内； b 3)、旋转所述工件台或旋转所述线形激光束斑，以使所述线形激光束斑与所述第一切割道方向之间形成所述夹角。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤c)具体包括: c I)、 沿所述第二切割道方向匀速移动所述工件台，使所述线形激光束斑沿所述第二切割道方向扫描所述晶圆表面，直至所述线形激光束斑离开所述晶圆表面；c 2)、使所述工件台沿所述第一切割道方向步进第一距离；c 3)、重复所述步骤c I)、c 2),直至扫描完所述晶圆表面； 其中，所述第一距离为所述线形激光束斑在所述第一切割道方向上的投影长度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述夹角通过如下公式计算得出: 公式 1:0 ( L_nXay〈ay ;以及，公式 2:nXay=LXCosa ； 其中，L为所述线形激光束斑的长度，η为所述线形激光束斑在所述第一切割道方向的投影覆盖的芯片数目，a y为所述晶圆表面的芯片在所述第一切割道方向的边长，α为所述夹角。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述夹角大于等于O度小于90度。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光匀化整形器包括一电动旋转台，所述步骤b 3)具体包括: 通过一步进电机驱动所述电动旋转台在水平面内旋转，带动所述激光匀化整形器转动，以在所述线形激光束斑与所述晶圆表面第一切割道方向之间形成所述夹角。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述工件台还包括一旋转轨道，所述步骤b3)具体包括: 通过一步进电机驱动所述工件台沿所述旋转轨道在水平面内旋转，以在所述线形激光束斑与所述晶圆表面第一切割道方向之间形成所述夹角。
8.一种激光退火系统，用于对放置于工件台上的晶圆进行激光退火工艺，所述工件台具有水平方向及垂直方向运动导轨，所述激光退火系统至少包括:一大功率激光器、一扩束镜以及一激光匀化整形器和一控制单元，所述大功率激光器发射激光光束，所述扩束镜、激光匀化整形器依次设置于所述激光光束投射至晶圆表面的光路上，所述扩束镜减少所述激光光束的发散，所述激光匀化整形器将所述激光光束转换为投射于所述晶圆表面的线形激光束斑； 其中，所述线形激光束斑与第一切割道方向成一夹角，以使所述线形激光束斑的两个端部分别落入所述晶圆表面的切割道内； 所述控制单元控制所述线形激光束斑相对于所述晶圆沿所述第一切割道方向或沿第二切割道方向运动，匀速扫描所述晶圆表面以对晶圆进行退火工艺；其中，所述第一切割道方向为所述晶圆表面两相互垂直的切割道方向中的任一切割道方向，所述第二切割道方向为所述晶圆表面垂直于所述第一切割道方向的另一切割道方向。
9.如权利要求8所述的激光退火系统，其特征在于，所述控制单元还控制所述工件台或所述激光匀化整形器在水平面内旋转，以使所述线形激光束斑与所述第一切割道方向之间形成所述夹角。
10.如权利要求8或9所述的激光退火系统，其特征在于，其还包括一衰减器和一摄像头，所述衰减器设于所述激光光束的光路上，所述摄像头采集所述晶圆表面图像以识别光刻标记，所述衰减器用于衰减所述激光光束并形成一激光光斑用于对晶圆的定位，所述衰减器在进行退火工艺时自所述`光路中移除。
【文档编号】H01L21/268GK103779195SQ201410043683
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】周伟, 张伟, 严利人, 刘志弘, 韩冰, 王全 申请人:上海集成电路研发中心有限公司, 清华大学