一种激光退火装置及方法与流程

本发明涉及激光退火技术领域，具体涉及一种激光退火装置及方法。

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。然而随着尺寸的缩小，对芯片的加工制造工艺提出了越来越高的困难和挑战，而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。

近年来由于激光应用技术的发展，以及激光退火相对传统退火具有热预算小，激活效率高，可以很大程度减小热扩散，并降低热应变的优势，已显示出很好的应用前景。

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所示为经过特定光刻工艺处理之后的硅片表面的结构示意图。可以看出，硅片5表面由一系列黑色的方框所示的裸芯片51构成。对于形成的裸芯片51，在表面上具有nm级空间尺度的一系列特定的周期性结构以及沿硅片5内部深度方向具有不同的材料成分，如图2所示，包括a、b、c、d四种材料成分。基于上述因素，使得硅片5上表面对于入射光的反射率r(x,y)是位置的函数，因为光束无法透过硅片5，所以入射到硅片5上表面的能量只能被反射和吸收，即获得硅片5上表面的反射率后即可得出硅片5上表面对于入射光的吸收率a(x,y)也是位置的函数。

对于激光退火而言，利用激光作为能量源，照射待处理硅片的表面，使得硅片吸收规定的能量i0，从而达到规定的退火温度t0，实现目标退火。但是由于图案效应的存在，待处理硅片吸收的能量分布存在一定的差异δi，造成待处理的硅片的温度分布也存在一定的温差δt，这将会对器件性能的一致性产生重要的影响。因此，如何保证在激光退火过程中，避免图案效应，使硅片表面能量吸收差异δi保持在一个可以接受的范围内，进而保证硅片表面温差δt保持在一个可接受的范围内是当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种激光退火装置及方法，以解决现有技术中存在的硅片表面的温度分布和退火效果不均匀的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种激光退火装置，包括沿光路依次设置的激光照射系统、载片系统和反射光检测系统，以及与所述激光照射系统、载片系统和反射光检测系统连接的主机；所述激光照射系统包括沿光路依次设置的激光光源、光束调整组件、光强分布形成组件、分束组件和聚焦组件；

所述激光光源发出的激光依次经过所述光束调整组件、光强分布形成组件、分束组件和聚焦组件后投射至所述载片系统的硅片上，反射光束依次经过所述聚焦组件和分束组件后被所述反射光检测系统接收，以监测所述硅片表面的反射光斑光强分布，所述主机根据所述反射光斑光强分布信息控制所述光强分布形成组件形成硅片所需的入射光强分布。

进一步的，所述光束调整组件包括沿光路依次排列的准直组件和扩束组件，分别对所述激光光源发出的激光光束进行准直和扩束。

进一步的，所述光强分布形成组件包括转盘和设于所述转盘上的光学元件组，所述转盘与所述主机连接。

进一步的，所述光学元件组包括用于产生均匀光强分布的第一光学元件、用于产生由边缘到中间光强逐渐减弱的第二光学元件以及用于产生可调整光强分布的第三光学元件和第四光学元件。

进一步的，所述转盘沿圆周方向设有若干固定位，所述第一、第二、第三、第四光学元件分别设于其中一个所述固定位上。

进一步的，所述第一、第二、第三、第四光学元件均为二元光学元件。

进一步的，所述第一光学元件采用微透镜阵列。

进一步的，所述光强分布形成组件包括转盘和设于所述转盘上的若干透过率补偿板。

进一步的，所述光强分布形成组件包括转盘和设于所述转盘上的若干mask板。

进一步的，所述载片系统包括用于承载和移动所述硅片的载片台和与所述载片台连接的控制系统，所述控制系统与所述主机连接。

进一步的，所述反射光检测系统包括等效光路和探测器，所述等效光路将接收的反射光束形成与所述硅片表面等效的光斑，所述探测器与所述主机连接，探测所述等效光路形成的光斑的轮廓和光强分布。

本发明还提供一种激光退火方法，包括以下步骤：

s1：将硅片放置到载片台上，完成硅片在水平向和垂直向的姿态调整；

s2：通过光强分布形成组件形成需要的入射光强分布；

s3：通过反射光检测系统检测反射光斑的光强分布和硅片表面温度分布；

s4：通过主机判断反射光斑的光强分布是否满足设定的范围，硅片表面的温度是否满足设定的范围，如果不满足，则返回步骤s2，如果满足则进行退火流程；

s5：判断当前退火位置是否为结束位置，如果是，则完成整个硅片的退火过程；如果不是，则载片台移动硅片至下一退火位置，并重复步骤s3-s4，直至完成对整个硅片的退火过程。

进一步的，所述步骤s2包括以下步骤：

s21：通过激光光源发出均匀的激光光束分别照射裸硅片和有图案硅片表面，通过反射光检测系统分别探测裸硅片和有图案硅片表面的反射光斑光强分布i0(x,y)和i1(x,y)，得出硅片的反射率和吸收率a(x,y)＝1-r(x,y)；

s22：根据硅片目标吸收光强分布i2(x,y)计算入射光强分布

s23：从光强分布形成组件中选择对应的光学元件形成所需的入射光强分布i3(x,y)；

进一步的，所述步骤s22还包括测量表面温度分布t(x,y)，并将最高温度归一化得到坐标位置相关的温度系数t'(x,y)，并根据硅片优化的目标吸收光强分布计算优化的入射光强分布

进一步的，所述步骤s23为从光强分布形成组件中选择对应的光学元件形成所需优化的入射光强分布i3优化(x,y)。

进一步的，所述步骤s23为从光强分布形成组件中选择对应的透过率补偿板或mask板形成所需优化的入射光强分布i3(x,y)。

本发明提供的激光退火装置及方法，该装置包括沿光路依次设置的激光照射系统、载片系统和反射光检测系统，以及与所述激光照射系统、载片系统和反射光检测系统连接的主机；所述激光照射系统包括沿光路依次设置的激光光源、光束调整组件、光强分布形成组件、分束组件和聚焦组件；通过选择光强分布形成组件上的光学元件形成硅片所需的入射光强分布，使硅片上的温度场达到中间和边缘温度一致的效果，保证退火温度均匀性，从而提高退火效果均匀性；基于同一批硅片，相同位置的图案是相同的，可以提前离线把退火过程中使用的光学元件选配好，按照顺序写入曝光流程，曝光过程中只进行监测，不进行调整，可以在保证退火性能的同时提高提高效率，提高产率。

附图说明

图1是经过光刻工艺后的硅片结构示意图；

图2是裸芯片的剖视结构图；

图3是本发明实施例1中激光退火装置的结构示意图；

图4a、4b是本发明实施例1中光强分布形成组件的侧视图和主视图；

图5是本发明实施例1中激光退火方法的流程图；

图6是本发明实施例1中均匀的激光光束照射到裸硅片时，反射光斑的光强分布图；

图7是本发明实施例1中均匀的激光光束照射有图案的硅片时，反射光斑的光强分布图；

图8是本发明实施例1中均匀的激光光束照射时，硅片吸收的光强分布图；

图9是本发明实施例1中的目标入射光强分布图；

图10是本发明实施例1中目标入射光强照射硅片时，反射光斑的光强分布图；

图11是本发明实施例1中目标入射光强照射时，硅片吸收的光强分布图；

图12是本发明实施例1中均匀的激光光束照射时，硅片表面的温度分布示意图；

图13是本发明实施例1中硅片表面优化的目标吸收光强分布图；

图14是本发明实施例1中优化的目标入射光强分布图；

图15是本发明实施例1中优化的反射光斑光强分布图。

图中所示：1、激光照射系统；11、激光光源；12、光束调整组件；121、准直组件；122、扩束组件；13、光强分布形成组件；131、转盘；132～135、第一～第四光学元件；14、分束组件；15、聚焦组件；2、载片系统；21、载片台；22、控制系统；3、反射光检测系统；4、主机；5、硅片；51、裸芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

如图3所示，本发明提供了一种激光退火装置，包括沿光路依次设置的激光照射系统1、载片系统2和反射光检测系统3以及与所述激光照射系统1、载片系统2和反射光检测系统3连接的主机4；所述激光照射系统1包括沿光路依次设置的激光光源11、光束调整组件12、光强分布形成组件13、分束组件14和聚焦组件15；

所述激光光源11发出的激光依次经过所述光束调整组件12、光强分布形成组件13、分束组件14和聚焦组件15后投射至所述载片系统2的硅片5上，反射光束依次经过所述聚焦组件15和分束组件14后被所述反射光检测系统3接收，以监测所述硅片5表面的反射光斑光强分布，所述主机4根据所述反射光斑光强分布信息控制所述光强分布形成组件13形成硅片5所需的入射光强分布，从而使硅片5上的温度场达到中间和边缘温度一致的效果，保证退火温度均匀性，从而提高退火效果均匀性。需要说明的是，该激光光源11可以是用于退火和加工的任意激光器，输出光束的偏振态可以是p偏振、s偏振、圆偏振、非偏振或其他偏振态。

请继续参照图1，所述光束调整组件12包括沿光路依次排列的准直组件121和扩束组件122，分别对所述激光光源11发出的激光光束进行准直和扩束，其中准直组件121可以是单镜片也可以是镜组，扩束组件122可以根据实际需求实现两个方向的等倍率扩大或缩小光束，也可以实现两个方向不等倍率的扩大和缩小。

如图4a、4b所示，所述光强分布形成组件13包括转盘131和设于所述转盘131上的光学元件组，所述转盘131与所述主机4连接，所述光学元件组包括用于产生均匀光强分布的第一光学元件132、用于产生由边缘到中间光强逐渐减弱的第二光学元件133以及用于产生可调整光强分布的第三光学元件134和第四光学元件135。所述转盘131沿圆周方向设有若干固定位，所述第一、第二、第三、第四光学元件132～135分别设于其中一个所述固定位上，使用时根据硅片5所需的入射光强分布从光学元件组中选择相应的光学元件，并使该转盘131在主机4的控制下转动，使激光光束通过该光学元件以形成所需的入射光强分布。

优选的，所述第一、第二、第三、第四光学元件132～135均为二元光学元件，所述第一光学元件132采用微透镜阵列。具体的，微透镜阵列出射光束的角度为θx1，θy1，聚焦组件15的焦距为f，在聚焦组件15的焦面上形成的光斑尺寸为：x方向f*θx1，y方向f*θy1。θx1，θy1根据实际需要可以相同，形成正方形均匀光斑，也可以相同的，形成长方形均匀光斑。该均匀光斑可以用于对表面形态均一的硅片5退火，达到较好的温度均匀性和退火均匀性。第二光学元件133出射光束的角度为θx2，θy2，在聚焦组件15的焦面上形成的光斑尺寸为：x方向f*θx2，y方向f*θy2。θx2，θy2根据实际需要可以相同，形成正方形光强外高内低分布非均匀光斑，也可以不相同，形成长方形光强外高内低分布非均匀光斑。第二光学元件133的非均匀光斑可以用于表面形态均一的硅片5退火，补偿因热扩散造成的温度分布差异，达到较好的温度均匀性和退火均匀性。同样第三、第四光学元件134、135根据需要退火的硅片5的目标入射光强分布进行定制。定制参数主要包括x方向和y方向的光束出射角度，与坐标相关的各点的光强分布。

请继续参照图3，所述载片系统2包括用于承载和移动所述硅片5的载片台21和与所述载片台21连接的控制系统22，所述控制系统22与所述主机4连接。具体的，载片台21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5，并在控制系统22的带动下使硅片5相对于入射光斑运动，实现对整个硅片5的退火。同时还应该满足使硅片5保持在激光照射系统1的焦深之内。由于硅片5上的图案与入射光斑有一个对应关系，所以在退火过程中需要保证入射光斑与硅片5的对准，在一般情况下，硅片5在传输到载片台21上会经过一次预对准，根据目前的技术水平无图案要求的粗对准，对准精度为0.5mm，光刻机的预对准精度可达50nm，预对准过程中可以调整旋转角度和位置，硅片5经过预对准传输到载片台21上后还可以用反射光检测系统3监测反射光斑光强分布是否与目标光强分布一致来核对曝光入射光斑和硅片5是否满足对准要求。

所述反射光检测系统3包括等效光路和探测器，所述等效光路将接收的反射光束形成与所述硅片5表面等效的光斑，所述探测器与所述主机连接，探测所述等效光路形成的光斑的轮廓和光强分布，探测器可以由ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合元件)或点能量探测器组成，可以用ccd直接探测或拼接测反射光斑轮廓和能量分布，也可以由点能量探测器扫描合成反射光斑轮廓和能量分布。

如图5所示，本发明还提供一种激光退火方法，包括以下步骤：

s1：将硅片5放置到载片台21上，完成硅片5在水平向和垂直向的姿态调整，具体的，控制系统22根据主机4发出的指令带动载片台21完成硅片5在水平向和垂直向的姿态调整。

s2：通过光强分布形成组件13形成需要的入射光强分布，包括以下步骤：

s21：通过激光光源11发出均匀的激光光束分别照射裸硅片和有图案硅片表面，通过反射光检测系统3分别探测裸硅片和有图案硅片表面的反射光斑光强分布i0(x,y)和i1(x,y)，得出硅片5的反射率和吸收率a(x,y)＝1-r(x,y)；如图6-7所示，分别为本实施例中均匀的激光光束分别照射裸硅片和有图案硅片表面，测量到的反射光斑光强分布图。如图8所示为得到的硅片5的吸收率分布图。

s22：根据硅片5目标吸收光强分布i2(x,y)计算入射光强分布优选的，还包括测量硅片5表面温度分布t(x,y)，并将最高温度归一化得到坐标位置相关的温度系数t'(x,y)，根据硅片5优化的目标吸收光强分布计算优化的入射光强分布需要说明的是，当硅片5表面所有位置的吸收光强分布i2(x,y)相同，则目标的入射光强分布如图9所示，根据计算理论得出的当目标的入射光强分布i3(x,y)入射硅片5表面时，测量到的反射光斑光强分布i4(x,y)＝i3(x,y)*r(x,y)，如图10所示。此时硅片5吸收的光强分布i5(x,y)＝i3(x,y)*a(x,y)，如图11所示。然而当硅片5表面吸收同样的光强时，由于热扩散的特性，形成的温度分布并不是均匀的，而是形成一个中间温度高，边缘温度低的分布，如图12所示。温度分布t(x,y)也是位置的函数，根据理论仿真可以把最高温度归一化，得到坐标位置相关的温度系数t'(x,y)，硅片5表面温度的均匀性最终决定了退火效果的均匀性，为了达到硅片5表面温度的均匀性，需要硅片5表面吸收的光强为如图13所示，此时的目标入射光强分布如图14所示。此时测量到的反射光斑光强分布i4优化(x,y)＝i3优化(x,y)*r(x,y)，如图15所示。

s23：从光强分布形成组件13中选择对应的光学元件形成所需的入射光强分布i3(x,y)；当然，为了进一步提高硅片5表面温度的均匀性和退火均匀性，本步骤优选为从光强分布形成组件13中选择对应的光学元件形成所需的优化的入射光强分布i3优化(x,y)。具体的，从光强分布形成组件13表面的光学元件组中选择对应的光学元件以形成所需优化的入射光强分布i3优化(x,y)，其中第一光学元件132为产生均匀光强分布的微透镜阵列，第二光学元件133产生由边缘到中间逐渐减弱的光强分布，第三光学元件134和第四光学元件135可根据硅片5的入射光强分布进行定制，可调整光强分布的第三光学元件134和第四光学元件135定制参数主要包括x方向和y方向的光束出射角度，与坐标相关的各点的光强分布。

s3：通过反射光检测系统3检测反射光斑的光强分布和硅片5表面的温度分布。

s4：通过主机4判断反射光斑的光强分布是否满足设定的范围i±δi，硅片表面的温度是否满足设定的范围t±δt，如果不满足，则返回步骤s2，以重新选择相应的光学元件，如果满足则进行退火流程。

s5：判断当前退火位置是否为结束位置，如果是，则完成整个硅片5的退火过程；如果不是，则载片台21移动硅片5至下一退火位置，重复步骤s3-s4，直至完成对整个硅片5的退火过程。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中，所述光强分布形成组件13包括转盘131和设于所述转盘131上的若干透过率补偿板或若干mask板(即掩膜板，具有特定透射图案，使照射到掩膜上的光束，按照特定透射图案穿过掩膜板，以形成对应的光强分布)。具体的，透过率补偿板或mask板根据实际退火硅片5的表面形貌进行定制，即使用均匀的激光光束照射硅片5的表面，通过反射光检测系统3检测到的反射光束的能量分布计算硅片5表面的反射率，从而得到硅片5表面的吸收率，由该反射率和吸收率计算出当硅片5表面需要吸收同样的光强时需要入射光的光强分布，定制的透过率补偿板或mask板参数各点的透过率为坐标的函数。需要说明的是，若干透过率补偿板或mask板中均包括可以产生均匀光强分布的透过率补偿板或mask板、可以产生由边缘到中间光强逐渐减弱的透过率补偿板或mask板以及用于产生可调整光强分布的透过率补偿板或mask板，以适应不同硅片5的需要。

与此同时，所述步骤s23为从光强分布形成组件13中选择对应的透过率补偿板或mask板形成硅片5所需优化的入射光强分布i3优化(x,y)。

综上所述，本发明提供的激光退火装置及方法，该装置包括沿光路依次设置的激光照射系统1、载片系统2和反射光检测系统3，以及与所述激光照射系统1、载片系统2和反射光检测系统3连接的主机4；所述激光照射系统1包括沿光路依次设置的激光光源11、光束调整组件12、光强分布形成组件13、分束组件14和聚焦组件15；通过选择光强分布形成组件13上的光学元件形成硅片5的所需的入射光强分布，使硅片5上的温度场达到中间和边缘温度一致的效果，保证退火温度均匀性，从而提高退火效果均匀性；基于同一批硅片5，相同位置的图案是相同的，可以提前离线把退火过程中使用的光学元件选配好，按照顺序写入曝光流程，曝光过程中只进行监测，不进行调整，可以在保证退火性能的同时提高提高效率，提高产率。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。