CN104900500B - 一种同步扫描激光退火装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体制造设备和技术领域，具体涉及一种同步扫描激光退火装置。所述装置，包括激光光源、依次设置在光路上的电光控制单元、准直扩束单元、匀光单元、聚焦单元和工件台；所述激光光源为完全线偏振光；所述激光光源与所述工件台之间通过同步板卡进行同步控制；所述电光控制单元通过电光开关组件和同步信号控制所述激光光源的光束的通过或截止。本发明提供的技术方案通过在激光器外部添加电光开关组件，在扫描过程中，利用同步电光开关组件控制光束的通过或截止，实现目标区域的退火，该方法规避了现有技术的缺陷，控制便捷，不会造成激光器自身的损失，并且可以通过电压控制退火激光的强度，能够在毫秒量级快速实现退火能量大小的调整。

Description

一种同步扫描激光退火装置

技术领域

本发明属于半导体制造设备和技术领域，具体涉及一种同步扫描激光退火装置。

背景技术

在半导体制作过程中，为了调节硅片表面局部区域的导电性能，广泛采用离子注入技术，对硅片表面的特定区域进行杂质掺杂。离子注入之后，由于所掺杂杂质原子处于硅晶格中缺陷的状态，一般需要进行退火的处理，一方面消除掺杂对于半导体材料晶格造成的损伤，另一方面能够有效地激活掺杂杂质。

传统的半导体的退火方法有电子束、闪光灯、连续不相干光照和石墨加热等。当性能要求高，局部定域和薄层高浓度电活性掺杂以及复杂结构半导体退火时，采用激光技术具有明显优势，包括激活效率高、改善表面粗糙度、降低杂质浓度、退火背面的温度较低而不损伤器件等。激光退火相对于传统退火具有激活率高、对器件损伤小等优点，在IGBT、TFT、CIS(像传感器)等领域部分将逐步替代传统退火，因此激光退火装置的需求量快速增长，激光退火装置一般包括激光光源、依次设置在光路上的准直扩束单元、匀光单元和聚焦单元，所述激光光源经准直扩束单元变为平行光并扩大到所需尺寸，然后经匀光单元匀光后垂直入射聚焦单元，经聚焦单元聚焦投射到硅片上，进行点热源退火。工件台承载硅片与激光光源进行相对运动，实现扫描式激光退火。

在激光退火过程中，加工对象一般都会有退火区域要求，有的要求加工物件边缘留有一定空白区域不需要退火，有的需要在工件上的某个区域（方形、圆形）退火。

实现这一功能的方法有很多，方法一：是在加工物件上方加一个满足退火区域需要的挡光板，光束通过挡光板的投影区域，就是最后得到的退火区域。此方法对于不同的区域要求需要更换调整相应的挡光板，挡光板的更换和调整需要很长时间，且需要反复测试才能保证得到目标退火区域，并且设置在聚焦镜和加工工件之间挡光板被强激光直接照射，容易造成损坏从而造成挡光失败，还会因此带来光路及退火环境的污染。

方法二：是通过可变狭缝或快门和工件台同步控制，在退火的过程中通过可变狭缝来控制激光的扫描区域，获取需要的退火区域。这种方法中可变狭缝可以有较大的调整范围，不需要不断更换，但是此方法也存在着强激光直接照射狭缝档片，容易损坏挡片光板，造成挡光失败，带来光路及退火环境污染的问题。

目前普遍采用的方法是方法三：该方法是通过激光器的内部GATE和工件台同步控制，在退火的过程中通过设定的区域内开关激光器内部的GATE来实现光的开闭，获取需要的退火区域。这个方法可以通过软件控制方便灵活地实现特定退火区域的需求，但是由于激光器内部GATE关闭，能量全部集中在激光腔中，容易对激光腔造成极大的损伤，严重影响激光器的能量稳定性和激光器的寿命。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种同步扫描激光退火装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述同步扫描激光退火装置，包括激光光源、依次设置在光路上的电光控制单元、准直扩束单元、匀光单元、聚焦单元和工件台；所述激光光源为完全线偏振光；所述激光光源与所述工件台之间通过同步板卡进行同步控制；所述电光控制单元通过电光开关组件和同步信号控制所述激光光源的光束的通过或截止。控制信号同步控制电光控制单元和工件台，扫描退火目标区域。

优选地是，所述电光开关组件包括依次设置在光路上的普克尔盒、偏振分束器和设置在偏振分束器反射或透射光光路上的光束收集器。

普克尔盒是一种电光器件（类似于电光调制器），它包含一个由光通过的电光晶体。光的偏振方向是通过应用到晶体上的电压来调控的。普克耳斯效应能够解释向普克尔盒施加稳定或变化电压（电场）后晶体的双折射线性变化原理（这可以和克尔效应作对比，它与E的平方有关）。施加稳定电压后，普克尔盒可以视为一片电压控制的波片。通过施加变化电压，用户可以使用普克尔盒来改变通过晶体后的位相延迟。本领域技术人员都很清楚普克尔盒通过驱动电路驱动。

优选地是，所述激光光源发射的完全线偏振光分为第一光路和第二光路传播，所述电光控制单元包括设置在第一光路上的第一电光开关组件、设置在第二光路的第二电光开关组件和第一偏振分束器，第一电光开关组件透射或反射出第一束线偏振光，第二电光开关组件透射或反射出第二束线偏振光，所述第一束线偏振光和第二束线偏振光正交并经第一偏振分束器合并。通过双光路控制，可以根据特殊退火需求，控制正交的两个存在相位差的偏振光。

优选地是，所述第一电光开关组件包括依次设置在第一光路上的第一普克尔盒、第二偏振分束器和设置在第二偏振分束器反射或透射光光路上的第一光束收集器，所述第二电光开关组件包括依次设置在第二光路上的第二普克尔盒、第三偏振分束器和设置在第三偏振分束器反射或透射光光路上的第二光束收集器。

优选地是，所述第一光路或第二光路上设有1/2波片。

优选地是，所述第一光路和/或第二光路上设置至少一个反光镜。

优选地是，光束以布儒斯特角入射所述反射镜。

优选地是，所述同步板卡计算出工件台运动轨迹，并触发工件台开始运动，在工件台到达匀速时给出所述同步信号，所述同步信号与所述电光控制单元的驱动电路的脉冲信号相作用获得电压脉冲信号，所述电压脉冲信号控制激光退火脉冲信号。

本发明提供的技术方案通过在激光器外部添加电光开关组件，在扫描过程中，利用同步电光开关组件控制光束的通过或截止，实现目标区域的退火，该方法规避了现有技术的缺陷，控制便捷，不会造成激光器自身的损失，并且可以通过电压控制退火激光的强度，能够在毫秒量级快速实现退火能量大小的调整。

附图说明

图1是本发明所述同步扫描激光退火装置的结构示意图；

图2是实施例1中所述电光控制单元的示意图；

图3是实施例2中所述电光控制单元的示意图；

图4是实施例2的控制信号图。

图中所示：

1-激光光源，2-电光控制单元，3-准直扩束单元，4-匀光单元，5-反射单元，

6-聚焦单元，7-硅片，8-工件台；

11-第一光路，12-第二光路，13-第一束偏振光，14-第二束偏振光，21-第一电光开关组件，22-第二电光开关组件，23-第一偏振分束器，24-同步信号，

25-驱动电路的脉冲信号，26-电压脉冲信号，27-激光退火脉冲信号；

211-第一普克尔盒，212-第二偏振分束器，213-第一光束收集器，221-第二普克尔盒，222-第三偏振分束器，223-第二光束收集器，224-反射镜，225-1/2波片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图1所示，本发明所述同步扫描激光退火装置，包括激光光源1、依次设置在光路上的电光控制单元2、准直扩束单元3、匀光单元4、反射单元5、聚焦单元6和工件台8，所述激光光源1为完全线偏振光，与所述工件台8之间通过同步板卡（图中未示）进行同步控制，最终在硅片7面上形成线条型光斑，其中长方向均匀分布，短方向近高斯分布，所述电光控制单元2通过电光开关组件和同步信号控制所述激光光源的光束的通过或截止。

所述电光开关组件包括依次设置在光路上的普克尔盒、偏振分束器和设置在偏振分束器反射或透射光光路上的光束收集器。

随着信号变化，施加的电压变化，线偏振光通过普克尔盒的偏振方向将发生变化，比如施加的电压使线偏振光由S态变为P态，偏振分束器反射S态光而透射P态光，假设光束收集器设置在偏振分束器的透射光光路上，则P态光将被吸收，因此当无电压时，S态线偏振光方向不变、通过偏振分束器反射从电光开关组件传输出来，此时电光控制单元2控制光束通过，当施加的电压使S态光经普克尔盒后变为P态时，被偏振分束器透射后被光束收集器吸收，最终实现电光控制单元控制光束截止。如果光束收集器设置在反射光光路上，则施加电压时光束通过，撤销电压时光束截止，并且，可以电压控制通过线偏振光的方向偏转角度，从而控制通过光束的光强控制，满足更为复杂的退火需求。

实施例1

如图2所示，图1中所述激光光源1发射的完全线偏振光分为第一光路11和第二光路12传播，所述电光控制单元2包括设置在第一光路11上的第一电光开关组件21、设置在第二光路12的第二电光开关组件22和第一偏振分束器23。

如图2所示，所述第一电光开关组件21包括依次设置在第一光路11上的第一普克尔盒211、第二偏振分束器212和设置在第二偏振分束器212透射光光路上的第一光束收集器213。所述第二电光开关组件22包括依次设置在第二光路12上的第二普克尔盒221、第三偏振分束器222和设置在第三偏振分束器222透射光光路上的第二光束收集器223，从第二偏振分束器212反射出的光为第一束偏振光13。

所述第二电光开关组件22还包括反射镜224和1/2波片225，第三偏振分束器222的反射光以布儒斯特角入射到反射镜224上，反射后通过1/2波片225光束偏振方向转动π/2，从而获得与第一束偏振光13正交的第二束偏振光14，所述第一束偏振光13经第一偏振分束器23反射，所述第二束偏振光14经第一偏振分束器23透射，完成光束合并。

如图2所示，举例简述电光控制单元2的工作过程：比如激光光源1发出的完全线偏振光为S态，分第一光路11和第二光路12传播，当同步信号控制驱动电路未对第一普克尔盒211施加电压时，S态激光经过第一普克尔盒211振动方向不变，经第二偏振分束器212反射后不会被第一光束收集器213吸收，也就是S态的第一束偏振光13顺利通过。当同步信号控制驱动电路对第一普克尔盒211施加电压时，S态线偏振光经过第一普克尔盒211振动方向改变，变为P态线偏振光，经第二偏振分束器212透射被第一光束收集器213吸收，也就是光束被截止。

同理，S态第二光路12的通过和截止也与之类似，当未施电压时，经第三偏振分束器222反射后的S态线性偏振光继续以布儒斯特角入射所述反射镜224，发射光经1/2波片225转换成了P态的第二束偏振光14。当施加电压时，光束被截止。

当未施电压时，第一束偏振光13和第二束偏振光14分别被第一偏振分束器23反射和透射汇合成一束出射光。当施加电压时，光束被截止。

实施例2

如图3所示，图1中所述激光光源1发射的完全线偏振光分为第一光路11和第二光路12传播，所述电光控制单元2包括设置在第一光路11上的第一电光开关组件21、设置在第二光路12的第二电光开关组件22和第一偏振分束器23。

所述第一电光开关组件21包括依次设置在第一光路11上的1/2波片225、第一普克尔盒211、第二偏振分束器212和设置在第二偏振分束器212透射光光路上的第一光束收集器213，从第二偏振分束器212反射出的为第一束偏振光13。

所述第二电光开关组件22包括依次设置在第二光路12上的第二普克尔盒221、第三偏振分束器222和设置在第三偏振分束器222反射光光路上的第二光束收集器223。所述第二电光开关组件22还包括两个反射镜224，第三偏振分束器222的透射光以布儒斯特角依次入射到两个反射镜224，反射出的即为与第一束偏振光13正交的第二束偏振光14，所述第一束偏振光13经第一偏振分束器23反射，所述第二束偏振光14经第一偏振分束器23透射，完成光束合并。

如图3所示，举例简述电光控制单元2的工作过程：比如激光光源1发出的完全线偏振光为S态，分第一光路11和第二光路12传播。当同步信号控制驱动电路施加电压时，S态光经1/2波片225转为P态光，P态光经过第一普克尔盒211振动方向改变，变为S态线偏振光，然后经第二偏振分束器212反射后不会被第一光束收集器213吸收，也就是S态的第一束偏振光13顺利通过。当未施加电压时，从1/2波片225出来的P态线偏振光经过第一普克尔盒211振动方向不变，经第二偏振分束器212透射被第一光束收集器213吸收，也就是光束被截止。

同理，第二光路12为，当施加电压时，S态光经第二普克尔盒221变为P态光，再经第三偏振分束器222透射和两个反射镜224反射获得第二束偏振光14。而当未施电压时，光束被截止。

当施加电压时，第一束偏振光13和第二束偏振光14分别被第一偏振分束器23反射和透射汇合成一束出射光。当未施加电压时，光束被截止。

如图4所示，工件台8与激光器的同步控制通过同步板卡实现，所述同步板卡优先计算出工件台8运动轨迹，并触发工件台8开始运动，在工件台8到达匀速时将同步信号24置为高电平，在工件台开始减速时将同步信号24置为低电平，同步信号24与驱动电路的脉冲信号25相作用获得电压脉冲信号26，电压脉冲信号26同步控制了激光退火脉冲信号27，进而控制所述激光光源1的光束的通过或截止，从而实现在目标区域的同步扫描激光退火。

需要指出的是，通过调节外加电压的大小，可以调整通过光的比例，从而起到快速衰减功率的效果。

Claims (6)

1.一种同步扫描激光退火装置，其特征在于，包括激光光源、依次设置在光路上的电光控制单元、准直扩束单元、匀光单元、聚焦单元和工件台；所述激光光源为完全线偏振光；所述激光光源与所述工件台之间通过同步板卡进行同步控制；所述电光控制单元通过电光开关组件和同步信号控制所述激光光源的光束的通过或截止；所述电光开关组件包括依次设置在光路上的普克尔盒、偏振分束器和设置在偏振分束器反射或透射光光路上的光束收集器；所述激光光源发射的完全线偏振光分为第一光路和第二光路传播，所述电光控制单元包括第一偏振分束器、设置在第一光路上的第一电光开关组件和设置在第二光路的第二电光开关组件，第一电光开关组件透射或反射出第一束线偏振光，第二电光开关组件透射或反射出第二束线偏振光，所述第一束线偏振光和第二束线偏振光正交并经第一偏振分束器合并。

2.根据权利要求1所述一种同步扫描激光退火装置，其特征在于，所述第一电光开关组件包括依次设置在第一光路上的第一普克尔盒、第二偏振分束器和设置在第二偏振分束器反射或透射光光路上的第一光束收集器，所述第二电光开关组件包括依次设置在第二光路上的第二普克尔盒、第三偏振分束器和设置在第三偏振分束器反射或透射光光路上的第二光束收集器。

3.根据权利要求2所述一种同步扫描激光退火装置，其特征在于，所述第一光路或第二光路上设有1/2波片。

4.根据权利要求1或2所述一种同步扫描激光退火装置，其特征在于，所述第一光路和/或第二光路上设置至少一个反光镜。

5.根据权利要求4所述一种同步扫描激光退火装置，其特征在于，光束以布儒斯特角入射所述反射镜。

6.根据权利要求1所述一种同步扫描激光退火装置，其特征在于，所述同步板卡计算出工件台运动轨迹，并触发工件台开始运动，在工件台到达匀速时给出所述同步信号，所述同步信号与所述电光控制单元的驱动电路的脉冲信号相作用获得电压脉冲信号，所述电压脉冲信号控制激光退火脉冲信号。