CN102169810A - 一种使用真空腔的激光处理装置和处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于半导体制造设备和技术范围的一种使用真空腔的激光处理装置和处理方法。所述真空激光处理装置包括真空工艺腔体，顶杆片托机构，真空系统及晶圆片的送取机构，激光辐照处理及冷却处理装置，本发明既能够灵活应对不同工艺加工需求，又充分照顾到了激光处理的光作用特点。采用本发明真空激光处理腔，本身可执行激光退火或者激光再结晶处理；可执行薄膜的激光辅助沉积处理；当外部提供可移动式的灯光或者红外加热源的功率足够时，也可执行薄外延的工艺处理。极大地提高了反应腔的实际应用价值。所述工艺腔除内部提供一定真空度的反应环境之外，侧壁由于通冷却液，成为“冷壁式”的反应腔，该特点尤其有利于薄膜沉积或者外延类的应用。

Description

一种使用真空腔的激光处理装置和处理方法

技术领域

本发明属于半导体制造装置与技术范围，特别涉及一种使用真空腔的激光光处理装置和处理方法。

背景技术

激光作用于半导体晶圆片，对半导体晶圆片的表面进行加工处理，对于这个过程的认识，一般是认为激光能量被衬底材料所吸收，转化成为热能，并使衬底材料产生显著的升温，通过高温热作用的方式产生所需的加工效果。从半导体材料掺杂杂质退火的技术实践来看，由于较强的热作用，导致了初始杂质的扩散再分布，所以并不希望热作用的强度太大。因为杂质扩散再分布的原因，人们看到，退火处理的时间越来越短暂，主要是希望减少杂质热扩散过程的时间，这样的技术趋势发展下来，就产生了单脉冲激光退火这样的技术方案，可以说是短时强作用技术的极致了。

从当前激光半导体加工的技术趋势来看，越来越忽视热作用的过程，而更强调非热作用。例如，在近几年的国际半导体技术发展路线图中，已经提出了非热退火的概念(英文为Athermal Anneal)。将激光对半导体材料的处理，更多地看成是直接的光作用，而将热量产生和扩散看成是伴随的次要的作用，就有可能有针对性地，针对光作用这样的特点，去设计和实现激光光处理的新装置和新技术方法。

本发明提出一种对半导体晶圆片表面实施激光处理加工的装置和方法，其主要的技术特色在于，在激光处理过程中，晶圆片表面接受激光辐照后，对于辐照能量的吸收，是以电子吸收为主的，而不是热效应(升温)显著的晶格吸收。此外，引入了真空腔体，激光处理的过程被置于抽成较高真空的腔体内来进行。这样，与热量传输有关的传导，对流，和辐射过程被减弱到了很小的程度，由于所述的这些技术特色，本发明得以提供专门适用于激光光处理的腔体及相关处理方 法。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用真空腔的激光处理装置和处理方法，其特征在于，工艺腔体2的顶端为透明窗口12，顶杆6从工艺腔体2底部中心孔7插入，顶杆6的顶端固定片托4，工艺腔体2底部侧面连接预真空腔9，预真空腔9和工艺腔体2分别通过预真空管口8和真空腔管口5接真空泵系统，在预真空腔9和工艺腔体2之间设置隔离门10，工艺腔体2设置气体入管11；工艺腔体2下半部分外侧壁，环绕冷却液管路3，用于冷却激光处理后的晶圆片；激光束1处于工艺腔体2的上方，激光束1透过透明窗口12对晶圆片表面进行辐照加热处理。

所述片托和顶杆用热导率低的材料制成，同时相对于外部带动顶杆升降的机械机构做隔热处理。

所述晶圆片在工艺腔体2中，由顶杆6和片托4机构承载，并且随顶杆6和片托4上下移动。

所述气体入管11用于在工艺阶段中向工艺腔体2内通保护气或工艺气体；所述气体入管为一路以上，并且气体入管的位置不局限于工艺腔体的底部。

一种使用真空腔的激光光处理方法，其特征在于，对于晶圆片进行激光处理的具体步骤如下：

(1)关闭隔离门10和预真空管口8，此时预真空腔9处于不抽真空的状态。预真空腔充气且向外的门打开曝露于大气中，外部机械手将晶圆片送入预真空腔9内，机械手退出预真空腔，预真空腔对外的门关闭，预真空管口8连通真空抽气泵开始对预真空腔9抽真空；

(2)打开隔离门10，由预真空腔中的机械手将晶圆片送入工艺腔体2，工艺腔体中的顶杆6自下方升起，由顶杆6顶端的片托4接过晶圆片，预真空腔中的机械手退回，关闭隔离门10；

(3)顶杆6升起至工艺腔体2顶部，此时根据具体的工艺要求，如果需要 对晶圆片进行辅助性加热，则采用外部的热辐射源透过透明窗12对晶圆片表面进行辐照加热，在辅助性的辐照加热阶段，工艺腔体2内部处于较高真空度或通入微量气体，令工艺腔内部处于100～200毫乇的真空度，以加强辅助加热的效果，辅助性加热的温度范围自室温至500摄氏度，除了辅助性加热之外，如果在激光处理之前还需要进行其他的工艺处理，例如对于洁净的晶圆片表面，通氢气进行表面处理等，也都放在本步骤进行；

(4)激光束1开始透过透明窗12对晶圆片表面进行辐照加热，由于激光束1由外部机械机构带动，在晶圆片表面扫描，因此晶圆片的全部表面都能够被处理到；当晶圆片接受激光辐照处理时，工艺腔体2处于腔室压力1毫乇或者更低的高真空状态，当针对的是特定的激光辅助薄膜沉积工艺时，腔室压力的设定则要符合特定工艺的要求；腔室压力的控制是通过对真空泵组抽率，保护性气体入气量和工艺气体入气量的协调调节实现的；

(5)完成激光辐照之后，顶杆6降下至工艺腔体下部的冷却液管路3附近，工艺腔体2通入保护气，通过气体流动换热，对晶圆片进行冷却；根据工艺要求，可控制冷却的速率，如果要求比较快速的冷却时，可通过气体入管11送入更多保护气，更加充分有效地在晶圆片高温端和冷却液低温端之间换热；

(6)当晶圆片冷却到室温后，打开隔离门10，预真空腔9中的机械手伸入，取走加工好的晶圆片，隔离门10关闭，工艺腔体2又处于等待下一片加工处理的空闲状态；

(7)经过预真空腔9的过渡，加工完成的晶圆片被送出，此后可从外部再取一片晶圆片，进行后续片的加工处理。

所述保护性气体为氮气、氩气；对保护性气体入气量进行控制，令腔室处于100～200毫乇的真空度范围内；

本发明的有益效果是，提供了一种能够灵活应对不同工艺加工需求，同时又充分照顾激光光处理特点的，内部抽成真空的工艺处理腔，以及相关的处理方法。所述的工艺处理腔，本身可执行激光退火或者激光再结晶处理；可执行晶圆片的 冷却处理；在外部辐照加热源的协助下，可执行加热处理；通入特定工艺气体后，可执行薄膜的激光辅助沉积处理；当外部提供可移动式的灯光或者红外加热源的功率足够时，例如可提供晶圆片升温至700摄氏度，则也可执行薄外延的工艺处理。这样的腔室设计，极大地加强了反应腔的实际应用价值，可用作多种不同半导体工艺装置的核心反应腔。所述工艺腔除内部提供一定真空度的反应环境之外，侧壁由于通冷却液，成为“冷壁式”的反应腔，该特点尤其有利于薄膜沉积或者外延类的应用。

附图说明

图1为使用真空腔的激光光处理装置的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种使用真空腔的激光处理装置和处理方法。下面结合附图对本发明予以说明。

图1所示为使用真空腔的激光光处理装置的示意图。工艺腔体2是一个半扁平的密封腔；采用金属材料制成。内壁覆盖钝化薄膜对反应腔进行保护。在工艺腔体2的顶端为透明窗口12，是采用对激光辐照呈透明的材料开设的窗口，这里，石英材料是一种比较好的选择，对于近红外，可见光到紫外波段的光均有很好的透明性。顶杆6从工艺腔体2底部中心孔7插入，此处进行动密封的处理，以隔离腔室真空与外部环境；顶杆6的顶端固定片托4，工艺腔体2中的顶杆片托机构可以上下移动，可由外部电机带动该机构动作；工艺腔体2底部侧面连接预真空腔9，预真空腔9和工艺腔体2分别通过预真空管口8和真空腔管口5接真空泵系统，用于工艺腔体2抽真空，在预真空腔9和工艺腔体2之间设置隔离门10，工艺腔体2设置气体入管11，在工艺腔顶部、底部或者侧壁处，可根据需要开几个气体入管，向腔内通保护性气体，例如氮气、氩气以及工艺气体。对各路气流的气流量，可使用质量流量计调控。工艺腔体2下半部分外侧壁，环绕冷却液管路3，构成“冷壁式”反应腔，用于冷却激光处理后的晶圆片，管路材料可以是金属材质，冷却液可以是冷却水；激光束1处于工艺腔体2的上方，激光束1透 过透明窗口12对晶圆片表面进行辐照加热处理。

预真空腔9用于外部环境同工艺腔体2之间的隔离，可采用与工艺腔体2相同的材料制成。预真空腔与工艺腔体2之间采用隔离门10来控制二者的连通，隔离门10门的开与关通过电子装置来驱动实现。在预真空腔中安装机械手装置，用于在预真空腔和工艺腔体2之间传送晶圆片。

采用本发明真空工艺腔室，可进行多种不同的半导体工艺，这些工艺以激光辐照处理作为其中的一个环节步骤。对于激光辐照处理的具体过程，举例说明如下：

(1)关闭隔离门10和预真空管口8，此时预真空腔9处于不抽真空的状态。预真空腔充气且向外的门打开曝露于大气中，外部机械手将晶圆片送入预真空腔9内，机械手退出预真空腔，预真空腔对外的门关闭，预真空管口8连通真空抽气泵开始对预真空腔9抽真空；

(2)打开隔离门10，由预真空腔中的机械手将晶圆片送入工艺腔体2，工艺腔体中的顶杆6自下方升起，由顶杆6顶端的片托4接过晶圆片，预真空腔中的机械手退回，关闭隔离门10；

(3)顶杆6升起至工艺腔体2顶部，此时根据具体的工艺要求，如果需要对晶圆片进行辅助性加热，则采用外部的热辐射源透过透明窗12对晶圆片表面进行辐照加热，在辅助性的辐照加热阶段，工艺腔体2内部处于较高真空度或通入微量气体，令工艺腔内部处于100～200毫乇的真空度，以加强辅助加热的效果，辅助性加热的温度范围自室温至500摄氏度，除了辅助性加热之外，如果在激光处理之前还需要进行其他的工艺处理，例如对于洁净的晶圆片表面，可通氢气进行表面处理等，也都放在本步骤进行；

(4)激光束1开始透过透明窗12对晶圆片表面进行辐照加热，由于激光束1由外部机械机构带动，在晶圆片表面扫描，因此晶圆片的全部表面都能够被处理到；当晶圆片接受激光辐照处理时，工艺腔体2处于腔室压力1毫乇或者更低的高真空状态，当针对的是特定的激光辅助薄膜沉积工艺时，腔室压力的设定则 要符合特定工艺的要求；腔室压力的控制是通过对真空泵组抽率，保护性气体入气量和工艺气体入气量的协调调节实现的；

(5)完成激光辐照之后，顶杆6降下至工艺腔体下部的冷却液管路3附近，工艺腔体2通入保护气，通过气体流动换热，对晶圆片进行冷却；根据工艺要求，可控制冷却的速率，如果要求比较快速的冷却时，可通过气体入管11送入更多保护气，更加充分有效地在晶圆片高温端和冷却液低温端之间换热；

(6)当晶圆片冷却到室温后，打开隔离门10，预真空腔9中的机械手伸入，取走加工好的晶圆片，隔离门10关闭，工艺腔体2又处于等待下一片加工处理的空闲状态；

(7)经过预真空腔9的过渡，加工完成的晶圆片被送出，此后可从外部再取一片晶圆片，进行后续片的加工处理。

由于对工艺腔设置了充气和抽气的机制，所以可以控制工艺腔在不同的工艺阶段，处于不同的真空压力环境之下。特别地，当晶圆片接受激光辐照处理时，工艺腔是处于较高的真空状态下的。此时，与晶圆片温度有关的对流，传导等作用都被减弱到极低的程度，而唯一可能的加热源将只是激光辐照。由于将激光波长选择在紫外、深紫外波段，晶圆片表面又可通过之前的工艺步骤处理成为非完整晶格的状态，因此对激光能量的吸收，将是以电子吸收为主。电子系统吸收激光能量后，通过弛豫过程，能量最终会传递给晶格系统，造成晶圆片有限的升温，不过这已是寄生的效应了。

Claims (6)

1.一种使用真空腔的激光处理装置，其特征在于，工艺腔体(2)的顶端为透明窗口(12)，顶杆(6)从工艺腔体(2)底部中心孔(7)插入，顶杆(6)的顶端固定片托(4)，工艺腔体(2)底部侧面连接预真空腔(9)，预真空腔(9)和工艺腔体(2)分别通过预真空管口(8)和真空腔管口(5)接真空泵系统，在预真空腔(9)和工艺腔体(2)之间设置隔离门(10)，工艺腔体(2)设置气体入管(11)；工艺腔体(2)下半部分外侧壁，环绕冷却液管路(3)，用于冷却激光处理后的晶圆片；激光束(1)处于工艺腔体(2)的上方，激光束(1)透过透明窗口(12)对晶圆片表面进行辐照加热处理。

2.根据权利要求1所述一种使用真空腔的激光光处理装置，其特征在于，所述片托和顶杆用热导率低的材料制成，同时相对于外部带动顶杆升降的机械机构做隔热处理。

3.根据权利要求1所述一种使用真空腔的激光处理装置，其特征在于，所述晶圆片在工艺腔体(2)中，由顶杆(6和片托(4)机构承载，并且随顶杆(6)和片托(4)上下移动。

4.根据权利要求1所述一种使用真空腔的激光处理装置，其特征在于，所述气体入管(11)用于在工艺阶段中向工艺腔体(2)内通保护气或工艺气体；所述气体入管为一路以上，并且气体入管的位置不局限于工艺腔体的底部。

5.一种使用真空腔的激光处理方法，其特征在于，对于晶圆片进行激光处理的具体步骤如下：

(1)关闭隔离门(10)和预真空管口(8)，此时预真空腔(9)处于不抽真空的状态。预真空腔充气且向外的门打开曝露于大气中，外部机械手将晶圆片送入预真空腔(9)内，机械手退出预真空腔，预真空腔对外的门关闭，预真空管口(8连通真空抽气泵开始对预真空腔(9)抽真空；

(2)打开隔离门(10)，由预真空腔中的机械手将晶圆片送入工艺腔体(2)，工艺腔体中的顶杆(6)自下方升起，由顶杆(6)顶端的片托(4)接过晶圆片，预真空腔中的机械手退回，关闭隔离门(10)；

(3)顶杆(6)升起至工艺腔体(2)顶部，此时根据具体的工艺要求，如果需要对晶圆片进行辅助性加热，则采用外部的热辐射源透过透明窗(12)对晶圆片表面进行辐照加热，在辅助性的辐照加热阶段，工艺腔体(2)内部处于较高真空度或通入微量气体，令工艺腔内部处于100～200毫乇的真空度，以加强辅助加热的效果，辅助性加热的温度范围自室温至500摄氏度，除了辅助性加热之外，如果在激光处理之前还需要进行通氢气进行表面处理，对晶圆片进一步表面洁净处理；

(4)激光束(1开始透过透明窗(12)对晶圆片表面进行辐照加热，由于激光束(1)由外部机械机构带动，在晶圆片表面扫描，因此晶圆片的全部表面都能够被处理到；当晶圆片接受激光辐照处理时，工艺腔体(2)处于腔室压力1毫乇或者更低的高真空状态，当针对的是特定的激光辅助薄膜沉积工艺时，腔室压力的设定则要符合特定工艺的要求；腔室压力的控制是通过对真空泵组抽率，保护性气体入气量和工艺气体入气量的协调调节实现的；

(5)完成激光辐照之后，顶杆(6)降下至工艺腔体下部的冷却液管路(3)附近，工艺腔体(2)通入保护气，通过气体流动换热，对晶圆片进行冷却；根据工艺要求，可控制冷却的速率，如果要求比较快速的冷却时，通过气体入管(11)送入更多保护气，更加充分有效地在晶圆片高温端和冷却液低温端之间换热；

(6)当晶圆片冷却到室温后，打开隔离门(10)，预真空腔(9)中的机械手伸入，取走加工好的晶圆片，隔离门(10)关闭，工艺腔体(2)又处于等待下一片加工处理的空闲状态；

(7)经过预真空腔(9)的过渡，加工完成的晶圆片被送出，此后可从外部再取一片晶圆片，进行后续片的加工处理。

6.根据权利要求5所述一种使用真空腔的激光处理方法，其特征在于，在激光辐照开始之前，以及在激光辐照结束之后，为了加强换热，向腔室内通入微量保护性气体为氮气或氩气。