CN111952158B - 一种激光退火装置及退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光退火装置及退火方法，包括载物台、用于发射第一设定频率及第一设定能量的激光光束。还包括将激光光束进行扩束的扩束准直元件、调整模块。调整模块调整从扩束准直元件中射出的激光光束的频率及能量；在预热时，调整模块调整激光光束的频率及能量分别为第一设定频率及第二设定能量；在退火时，调整模块调整激光光束的频率及能量分别为第二设定频率及第一设定能量。还包括对从调整模块射出的光束进行整形的整形元件、以及振镜系统，振镜系统将从整形元件射出的光束聚焦在晶圆的设定深度层，还使聚焦在设定深度层的光斑在设定深度层移动。通过对单个激光器进行控制，有效避免多激光器带来的控制不稳定情况。

Description

一种激光退火装置及退火方法

技术领域

本发明涉及晶圆制造技术领域，尤其涉及一种激光退火装置及退火方法。

背景技术

随着科学技术的进步和发展，激光已经作为一种工具应用在各行各业。由于激光的高亮度高强度的特性，且激光光斑的尺寸可以通过聚焦镜聚焦到微米量级，因此激光加工技术在有着高精度加工要求的行业中备受青睐，尤其是对于半导体行业晶圆制造的技术中，激光加工技术尤为受欢迎。

最初，对晶圆的退火处理时在包含许多晶圆(其支撑在支架中)的炉中进行。将电能供应到炉壁中的电阻加热器元件，以将它们加热到接近期望处理温度的温度。晶圆最终达到与炉壁基本相等的温度。在升高的温度下进行了期望时间长度的退火之后，不再将电能供应到电阻加热器，使得壁逐渐冷却，晶圆也逐渐冷却。尽管需求热处理时间可能相对较短，但是加热速率和冷却速率两者都相对较慢，在大约上15℃/min的量级。这些升高温度过程中的较长时间显著地增大了退火所需的热预算。在先进集成电路中的精细特征和薄层需要减小热预算。

发明内容

本发明提供了一种激光退火装置及退火方法，以采用激光方式对晶圆进行退火，同时简化激光光路结构。

第一方面，本发明提供了一种激光退火装置，该激光退火装置包括保持晶圆的载物台、以及单个用于发射第一设定频率及第一设定能量的激光光束。还包括用于将激光光束进行扩束的扩束准直元件、以及调整模块。其中，调整模块用于调整从扩束准直元件中射出的激光光束的频率及能量；在预热时，调整模块调整激光光束的频率及能量分别为第一设定频率及第二设定能量；在退火时，调整模块调整激光光束的频率及能量分别为第二设定频率及第一设定能量；其中，第一设定能量大于第二设定能量，第二设定频率小于第一设定频率。还包括用于对从调整模块射出的光束进行整形的整形元件、以及振镜系统，其中，振镜系统用于将从整形元件射出的光束聚焦在晶圆的设定深度层，还用于使聚焦在设定深度层的光斑在设定深度层移动。

在上述的方案中，通过采用单个激光器及调整模块，在应用时，使单个激光器连续发射出同一频率及同一能量的激光，通过调整模块分时调整预热及退火时激光光束的频率及能量，从而实现对晶圆的退火。且仅仅使用一个激光器，单光路进行加工，简化光路，有益于设备的集成化，且方便维护，降低成本。通过对单个激光器进行控制，有效避免多激光器带来的控制不稳定情况，使激光预热加工能量和退火加工能量的比值更加稳定，更容易达到实际退火温度需求。不会因为某个激光器的波动影响整体结果。

在一个具体的实施方式中，调整模块包括将激光光束从第一设定频率调整为第二设定频率的偏振调节器、以及将激光光束从第一设定能量调整为第二设定能量的声光调制器。以简化调整模块的设置。

在一个具体的实施方式中，偏振调节器为电控的偏振调节器，以便于对偏振调节器进行控制。

在一个具体的实施方式中，第一设定频率的大小为1Mhz～5Mhz，第二设定频率的大小为10Khz～100Khz，以较好的对晶圆的设定深度层进行预热，同时防止晶圆的设定深度层在退火时出现开槽。

在一个具体的实施方式中，振镜系统为二轴振镜系统，以减小预热光斑及退火光斑的上下波动幅度，从而使预热光斑及退火光斑更准确地对设定深度层的某一区域进行退火。

第二方面，本发明还提供了一种上述任意激光退火装置的退火方法，该退火方法包括：将晶圆保持在载物台上；激光器发射出第一设定频率及第一设定能量的激光光束；调整模块将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量；整形元件对从调整模块射出的光束进行整形；振镜系统将从整形元件输出的光束聚焦在晶圆的设定深度层，以对设定深度层进行预热；调整模块停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层进行退火。

在上述的方案中，通过采用单个激光器及调整模块，在应用时，使单个激光器连续发射出同一频率及同一能量的激光，通过调整模块分时调整预热及退火时激光光束的频率及能量，从而实现对晶圆的退火。且仅仅使用一个激光器，单光路进行加工，简化光路，有益于设备的集成化，且方便维护，降低成本。通过对单个激光器进行控制，有效避免多激光器带来的控制不稳定情况，使激光预热加工能量和退火加工能量的比值更加稳定，更容易达到实际退火温度需求。不会因为某个激光器的波动影响整体结果。

在一个具体的实施方式中，振镜系统将从整形元件射出的光束聚焦在晶圆的设定深度层，以对设定深度层进行预热具体为：振镜系统将从整形元件射出的光束聚焦在设定深度层的一点上，对设定深度层的一点进行预热。调整模块停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层进行退火具体为：在对设定深度层的一点完成预热后，调整模块停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层的一点进行退火。通过聚焦在设定深度层的某一点，先对该点进行预热，之后对该点进行退火，在此期间，无需移动光束，从而简化对光束的移动，便于控制及操作。

在一个具体的实施方式中，在对设定深度层的一点完成退火后，退火方法还包括：振镜系统使聚焦在设定深度层的一点上的光斑移动到设定深度层上的另一点处，并重复上述步骤对设定深度层的另一点进行预热与退火。通过将设定深度层的某一点完成退火后，再移动到另一点，依次逐个点的方式进行退火，使每次退火都能达到较好的退火效果，且便于控制光束的移动。

在一个具体的实施方式中，振镜系统将从整形元件射出的光束聚焦在晶圆的设定深度层，以对设定深度层进行预热具体为：振镜系统将从整形元件射出的光束聚焦在设定深度层，并使聚焦在设定深度层的关闭在设定深度层移动，以对设定深度层上的一条线进行预热。调整模块停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层进行退火具体为：在对设定深度层上的一条线完成预热后，振镜系统使聚焦在设定深度层上的光斑移动到一条线的起始点；调整模块停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层上预热后的一条线进行退火。通过先对设定深度层上的一条线进行预热，之后对该一条线进行退火，从而提高对晶圆某一退火区域进行退火的效率。

在一个具体的实施方式中，对设定深度层上的一条线的起始点预热完成后，到对设定深度层上一条线的起始点进行退火时，两者之间的时间间隔小于20ms，使对一条线上的某点预热与退火之间的时间间隔较小，保证该一条线上的每一点的退火效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光退火装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种激光退火装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光路示意图；

图4为本发明实施例提供的一种退火方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的一种在晶圆上进行预热及退火的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种在晶圆上进行预热的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种在晶圆上进行退火的结构示意图。

附图标记：

10-载物台 11-晶圆 12-加工腔

20-激光器 30-扩束准直元件 40-调整模块

41-偏振调节器 42-声光调制器 50-整形元件

60-振镜系统

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便理解本发明实施例提供的激光退火装置，下面首先说明一下本发明实施例提供的激光退火装置的应用场景，该激光退火装置用于对半导体制造过程中的晶圆进行退火。下面结合附图对该激光退火装置进行详细的叙述。

参考图1，本发明实施例提供的激光退火装置包括保持晶圆11的载物台10、以及单个用于发射第一设定频率及第一设定能量的激光光束。还包括用于将激光光束进行扩束的扩束准直元件30、以及调整模块40。其中，调整模块40用于调整从扩束准直元件30中射出的激光光束的频率及能量；在预热时，调整模块40调整激光光束的频率及能量分别为第一设定频率及第二设定能量；在退火时，调整模块40调整激光光束的频率及能量分别为第二设定频率及第一设定能量；其中，第一设定能量大于第二设定能量，第二设定频率小于第一设定频率。还包括用于对从调整模块40射出的光束进行整形的整形元件、以及振镜系统60，其中，振镜系统60用于将从整形元件射出的光束聚焦在晶圆11的设定深度层，还用于使聚焦在设定深度层的光斑在设定深度层移动。

在上述的方案中，通过采用单个激光器20及调整模块40，在应用时，使单个激光器20连续发射出同一频率及同一能量的激光，通过调整模块40分时调整预热及退火时激光光束的频率及能量，从而实现对晶圆11的退火。且仅仅使用一个激光器20，单光路进行加工，简化光路，有益于设备的集成化，且方便维护，降低成本。通过对单个激光器20进行控制，有效避免多激光器20带来的控制不稳定情况，使激光预热加工能量和退火加工能量的比值更加稳定，更容易达到实际退火温度需求。不会因为某个激光器20的波动影响整体结果。下面结合附图对上述各个部件的设置方式进行详细的介绍。

参考图1及图2，设置一载物台10，以将晶圆11保持在载物台10上。该载物台10上可以设置有吸附晶圆11的真空吸附孔，以对晶圆11进行吸附。还可以设置一机械手，用以将晶圆11放置在载物台10上或从载物台10上取下。该机械手还用于在对晶圆11的一面退火完成后，将晶圆11进行翻转，以对晶圆11的另一面进行退火。参考图1，还可以设置一加工腔12，载物台10位于加工腔12内。参考图1，加工腔12可以为一个具有中空腔体的壳体结构，载物台10可以固定在加工腔12内，也可以通过滑轨组件滑动装配在加工腔12内。当然，优选的，采用载物台10固定装配在加工腔12内的方式，此时，无需再加工腔12内设置驱动载物台10移动的滑轨组件及驱动组件，减少加工腔12内的结构，在应用时，从而能够将加工腔12的容积做的足够小，缩短加工腔12内的气体置换时间。参考图1，可以将激光器组件30设置在加工腔12的上方，在加工腔12的上方设置有一窗口，激光器20、分束及整形系统30、菲涅尔透镜80及合束系统60发射出的激光光束通过该窗口入射到晶圆11上。窗口的设置方式可以采用光学窗口镜片的方式，具体的，在加工腔12的上方开设一开口，在开口处密封安装一光学窗口镜片，使激光器组件30发射出的激光光束能够入射到加工腔12内。可以使窗口与保持在载物台10上的晶圆11位置相对，且窗口的尺寸大于晶圆11的尺寸，此时，即使载物台10固定在加工腔12内时，激光器20、分束及整形系统30及合束系统60发射出的激光光束可以对晶圆11上的每一个位置进行退火。

参考图1及图2，该激光退火装置还具有一个发射激光光束的激光器20，设置时，该激光器20可以位于载物台10的上方，其能够发射出一激光光束，该激光光束的能量为能量较高的第一设定能量，该激光光束的频率为频率较高的第一设定频率。激光器20发射出的高能量高频率的激光光束后，经整形元件50、调整模块40及振镜系统60后聚焦在晶圆11的设定深度层。使单个激光器20连续发射出同一频率及同一能量的激光，通过调整模块40分时调整预热及退火时激光光束的频率及能量，从而实现对晶圆11的退火。且仅仅使用一个激光器20，单光路进行加工，简化光路，有益于设备的集成化，且方便维护，降低成本。通过对单个激光器20进行控制，有效避免多激光器20带来的控制不稳定情况，使激光预热加工能量和退火加工能量的比值更加稳定，更容易达到实际退火温度需求。不会因为某个激光器20的波动影响整体结果。其中，该晶圆11具有相对的正面及背面，其中，晶圆11的正面具有掺杂层、晶体管、金属层、电容器等镀层结构。在对晶圆11的正面进行退火时，以消除晶圆11中晶格缺陷和内应力，以恢复晶格的完整性；使植入的掺杂原子扩散到替代位置，产生电特性，这称为晶圆11激活退火。在晶圆11的背面镀有金属结构，通过对晶圆11背面所镀的金属结构进行退火，以实现电阻值降低，提高一致性。

在设置扩束准直元件30时，扩束准直元件30可以为由扩束镜组件组成的光学元件，用于对激光器发射出的激光光束的直径进行扩束，使激光光束的直径更宽。

在设置调整模块40时，参考图2及图3，调整模块40可以包括将激光光束从第一设定频率调整为第二设定频率的偏振调节器41、以及将激光光束从第一设定能量调整为第二设定能量的声光调制器42。以简化调整模块40的设置。在预热时，调整模块40中的偏振调节器41不工作，即调整模块40不调整从激光器20射出的激光光束的频率，使激光光束保持高频率输出；调整模块40中的声光调制器42工作，声光调制器42将第一设定能量的激光光束调整为能量较低的第二设定能量的激光光束，从而采用频率较高、能量较低的光束对晶圆11的设定深度层上的退火区域进行预热。在退火时，调整模块40中的声光调制器42不工作，即声光调制器42不调整从激光器20射出的激光光束的能量，使激光光束保持高能量输出；调整模块40中的偏振调节器41工作，偏振调节器41将第一设定频率的激光光束调整为频率较低的第二设定频率的激光光束，从而采用频率较低、能量较高的光束对晶圆11的设定深度层上的退火区域进行退火。且防止采用高能量、高频率的激光光束对晶圆11上的退火区域进行退火时，晶圆11的退火区域出现开槽的现象。

在设置偏振调节器41时，可以采用电控的偏振调节器41，以便于对偏振调节器41进行控制。上述声光调制器42为现有技术中常规的能够调整光束能量的调制器。

在具体确定上述第一设定频率及第二设定频率的大小时，第一设定频率的大小可以为1Mhz～5Mhz，具体的，第一设定频率的大小可以为1Mhz、1.5Mhz、2.0Mhz、2.5Mhz、3.0Mhz、3.5Mhz、4.0Mhz、4.5Mhz、5.0Mhz等介于1Mhz～5Mhz之间的任意值。第二设定频率的大小可以为10Khz～100Khz，具体的，第二设定频率的大小可以为10Khz、20Khz、30Khz、40Khz、50Khz、60Khz、70Khz、80Khz、90Khz、100Khz等介于10Khz～100Khz之间的任意值。以较好的对晶圆11的设定深度层进行预热，同时防止晶圆11的设定深度层在退火时出现开槽。

在设置整形元件50时，整形元件50为现有技术中能够调整激光光束的形状的光学组件，其能够将激光器20的光束整形为平顶光斑、高斯光斑等。光斑形状可为圆形、方形、长方形等。在这里，整形元件50优选的将激光器20发射出的激光光束的光斑整形为平顶光斑，以更好的实现对晶圆11某一退火区域的预热及退火。

在设置振镜系统60时，振镜系统60可以选择二轴振镜系统，二轴振镜系统能够在晶圆11的设定深度层上移动激光的光束，以改变对设定深度层上光斑的位置，且使光斑始终在晶圆11的设定深度层上移动，以减小预热光斑及退火光斑的上下波动幅度，从而使预热光斑及退火光斑更准确地对设定深度层的某一区域进行退火。

参考图1，还可以设置在加工腔12外且位于加工腔12上方的位置设置一测量仪组件，该测量仪组件与加工腔12上方的窗口位置。测量仪组件透过窗口对晶圆11上背离载物台10的表面或激光的光束进行测量分析。在加工腔12外与窗口相对的位置设置测量仪组件，且测量仪组件能够透过窗口对晶圆11上背离载物台10的表面或激光的光束进行测量分析。与现有技术中将用于测量晶圆11或激光光束的参数的测量仪设置在加工腔12内相对，本发明的方案将测量仪组件设置在加工腔12外，无需设置驱动载物台10移动的滑轨组件及驱动组件，减少加工腔12内的结构，从而能够将加工腔12的容积做的足够小。由于在晶圆11为晶圆时，每次晶圆11的进出都会破坏加工腔12内的气氛环境，需要重新进行气体置换。在加工腔12内的腔体容积越小，气体的置换时间越短，采用本发明的方案，能够减小加工腔12的容积，缩短加工腔12内的气体置换时间，提高激光加工的效率。

在设置测量仪组件时，在测量仪组件需要对晶圆11的上表面进行测量分析时，测量仪组件可以包括测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计中的一个或多个，以对晶圆11上背离载物台10的表面进行相关参数的测量分析。具体的，测量仪组件可以包括测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计中的任意一个；测量仪组件也可以包括测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计中的任意两个或两个以上。不同的激光工艺采用不同的测量仪，在激光退火工艺中，其中的测高仪、图像识别系统和红外辐射分析仪是共用设备，无论晶圆表面退火还是背面退火都会使用。其中的电阻测量仪可以只用在背面晶圆合金化(欧姆接触退火)。

在测量仪组件需要对激光光束进行测量分析时，测量仪组件还包括对从窗口射入加工腔12内的激光光束进行测量分析的红外辐射分析仪，以在激光光束对晶圆11进行加工时，对激光光束进行测量分析，从而实现对激光光束的“在线”检测分析。

另外，还可以在加工腔12外且与窗口相对的位置设置有能够在至少一个维度运动的运动平台，且测量仪组件设置在运动平台上，以便于将测量仪组件移动到适合检测激光光束或晶圆11的位置，且防止第二测量仪组件41干涉激光光束对晶圆11进行加工。

在运动平台上设置的测量仪组件既可以包含对晶圆11的上表面进行测量分析的测高仪、电阻测量仪、图像识别系统、高温计等，也可以包含对激光的光束进行测量分析的红外辐射分析仪。在应用时，其中的测高仪和图像识别系统是在退火加工前，运动到晶圆上方，进行测高和定位识别工作。退火过程中，运动平台在不影响激光光束传输的情况下，红外辐射分析仪实时监测退火区域的红外辐射，闭环控制激光退火的能量变化。

在运动平台上设置的测量仪组件包括测高仪时，该测高仪测量晶圆11的上表面上不同位置距离测高仪设定的参考面之间的高度差变化。此时，可以在提供激光光束的激光光源中设置三轴振镜系统，该三轴振镜系统移动激光光源发射出的激光光束，以调整激光光束聚焦在晶圆11上的焦点位置。可以设置一控制装置，控制装置根据测高仪测得的高度差变化，控制三轴振镜系统将焦点保持在晶圆11上距离晶圆11的上表面为设定深度的层结构上。通过设置测高仪、三轴振镜系统及控制装置，使测高仪在退火前及退火过程中，时刻测量晶圆11的上表面不同位置距离参考面之间的高度差变化，控制装置通过控制三轴振镜系统，以使激光光源发射出的激光光束始终聚焦在晶圆11上距离上表面为设定深度的层结构上。使激光光束的焦点位置能够根据晶圆11上表面的凸凹波动进行上下调整，防止由于晶圆11表面的凸凹波动，从而使激光光束的焦点位置在晶圆11的不同深度层上下波动，从而提高对晶圆11进行退火的位置准确性，提高退火效果。

在晶圆11的上表面具有待退火区域，激光退火装置可以对待退火区域的表面进行退火，此时，设定深度为零；也可以对待退火区域内的某一深度进行退火，此时，可以根据设定深度的大小调整对待退火区域的某一深度的层结构进行退火。

在待退火区域上具有三个不再同一条直线上的三个设定点，测高仪设置的参考面为与三个设定点所在的平面平行的平面。在应用时，在退火前，测高仪先拾取晶圆11上表面的待退火区域上的三个设定点的高程，以确定参考面，之后在退火过程中，根据待退火区域上的不同位置距离参考面的高度差变化，调整激光光束的焦点位置，以便于焦点保持在距离上表面为设定深度的层结构上，同时便于确定参考面。其中，载物台10上用于放置晶圆11的接触面为基准面。

例如，在退火前，测高仪拾取晶圆11上表面的待退火区域上的三个不再同一条直线上的三个设定点。之后，测高仪测量每个设定点距离晶圆11的上方与载物台10的基准面平行的平面的高程，通过移动测高仪到每个设定点在竖直方向的上方，以测量每个设定点的高程。测高仪根据三个设定点的位置坐标信息及每个设定点的高程信息能够设置出一个参考面，该参考面与三个设定点所在的平面平行。具体的，该参考面可以与三个设定点所在的平面的距离为H。该参考面有可能与载物台10上的基准面平行，此时，三个设定点所在的平面与载物台10上的基准面平行。该参考面还有可能与载物台10上的基准面不平行，此时，三个设定点所在的平面与载物台10上的基准面不平行。

在退火过程中，测高仪首先测量待退火区域上的某一退火点距离参考面的高度，所测的某一退火点距离参考面的高度指的是该退火点距离该参考面在竖直方向(或z轴方向)上的距离。应当注意的是，该退火点距离参考面的高度，与该退火点距离该参考面的垂直距离可能相等，也可能不相等。在参考面与载物台10上的基准面平行时，则退火点距离参考面的高度等于该退火点距离该参考面的垂直距离；在参考面与载物台10上的基准面不平行时，则退火点距离参考面的高度不等于该退火点距离该参考面的垂直距离。

在测高仪测得待退火区域的某一退火点距离参考面的高度后，测高仪将该信息传输给控制装置。控制装置比较测得的高度值与H的大小，以发出不同的对三轴振镜系统进行调整的命令，使激光光束的焦点保持在距离晶圆11的上表面为设定深度的层结构上。具体的，在对上述待退火区域的退火点进行退火时，激光光束的焦点位于距离该退火点为设定深度的层结构上。即上述的退火点仅仅是指晶圆11的上表面上待退火区域的一点，即该退火点位于晶圆11的表面。而对该退火点进行退火指的是，对该退火点竖直方向的正下方某一设定深度的层结构上的一点进行退火。

在设置控制装置时，控制装置可以为上位机、工控机等的终端设备，控制装置可以通过有线、无线等通信方式分别与测高仪及三轴振镜系统连接，以便于控制装置分别与测高仪及三轴振镜系统进行信息交互。

在设置三轴振镜系统时，三轴振镜系统在x轴、y轴及z轴三个相互垂直的方向上调整激光光束聚焦在晶圆11上的焦点位置，其中，x轴、y轴及z轴的设置方式与上述的空间直角坐标系为同一坐标系，或者是三个轴分别对应平行的设置方式，以便于对三轴振镜系统进行调整。

在控制装置控制三轴振镜系统调整时，控制装置可以根据测高仪测得的高度差变化，控制三轴振镜系统的z轴移动聚焦在激光光束聚焦在晶圆11上的焦点，以使焦点保持在位于距离上表面为设定深度的层结构上，仅仅通过调整三轴振镜系统的z轴，即可实现焦点位置保持在距离晶圆11的上表面为设定深度的层结构上。

还可以在加工腔12上方的运动平台上设置用于拾取晶圆11的上表面的图像的CCD相机，以便于实时观察退火情况。且通过将CCD相机设置在加工腔12外，以减少加工腔12内的结构，便于缩小加工腔12内的空间，减少置换加工腔12内气体的时间，提高退火效率。

另外，参考图1，可以在载物台10上设置有通光孔，加工腔12的下方还设置有下窗口；且加工腔12上方的窗口、通光孔及下窗口至少部分位置相对，以使激光光束能够从加工腔12上方的窗口入射到加工腔12内，之后穿过通光孔并通过下窗口射出加工腔12。还包括在加工腔12外设置与下窗口相对的测量仪组件，测量仪组件对从下窗口射出加工腔12的光束进行测量分析。通过将载物台10固定在加工腔12内，在载物台10上设置通光孔，且通光孔与加工腔12上的加工腔12上方的窗口及下窗口至少部分位置相对，还在加工腔12外与下窗口相对的位置设定测量仪组件。在载物台10上放置晶圆11前，激光的光束依次穿过加工腔12上方的窗口、通光孔及下窗口后，使测量仪组件对激光的光束进行测量分析。与现有技术中的结构相比，本发明的方案无需在加工腔12内设置反射镜，也无需设置驱动载物台10移动的滑轨组件及驱动组件，减少加工腔12内的结构，从而能够将加工腔12的容积做的足够小。每次晶圆11的进出都会破坏加工腔12内的气氛环境，需要重新进行气体置换。在加工腔12内的腔体容积越小，气体的置换时间越短，采用本发明的方案，能够减小加工腔12的容积，缩短加工腔12内的气体置换时间，提高激光加工的效率。

在加工腔12上方设置有加工腔12上方的窗口，以图1为例，加工腔12上方的窗口设置在加工腔12的上方，载物台10与加工腔12上方的窗口位置相对，使从加工腔12上方的窗口入射到加工腔12内的激光光束能够照射到载物台10上的晶圆11上。在载物台10上还设置有通光孔，且通光孔与加工腔12上方的窗口至少部分位置相对，在载物台10上未放置晶圆11时，以使激光的光束能够从加工腔12上方的窗口入射到加工腔12后，入射到通光孔内。参考图1，通光孔能够使激光的光束从靠近加工腔12上方的窗口的一端射入，并从另一端射出。以图1为例，在加工腔12的下方还设置有下窗口，且下窗口与通光孔至少部分位置相对，以使从通光孔射出的激光的光束能够入射到下窗口，并从下窗口射出加工腔12。在具体设置上述的加工腔12上方的窗口及下窗口时，加工腔12上方的窗口与下窗口可以分别在加工腔12的上方及下方开设两个开口，且两个开口至少部分位置相对，且均与载物台10上的通光孔至少部分位置相对，之后在两个开口处分别安装光学窗口镜片，使激光的光束能够穿过，同时使加工腔12内为密封的腔体。

如图1所示，在加工腔12外且与下窗口相对的测量仪组件，测量仪组件对从下窗口射出加工腔12的光束进行测量分析。在应用时，在载物台10上放置晶圆11前，激光的光束依次穿过加工腔12上方的窗口、通光孔及下窗口后，从下窗口射出，测量仪组件对激光的光束进行测量分析。与现有技术中的结构相比，本发明的方案无需在加工腔12内设置反射镜，减少加工腔12内的结构，从而能够将加工腔12的容积做的足够小。由于在晶圆11为晶圆时，每次晶圆的进出都会破坏加工腔12内的气氛环境，需要重新进行气体置换。在加工腔12内的腔体容积越小，气体的置换时间越短，采用本发明的方案，能够减小加工腔12的容积，缩短加工腔12内的气体置换时间，提高激光加工的效率。

在具体设置加工腔12下方的测量仪组件时，测量仪组件可以包括光束质量分析仪和/或功率计，实现对激光光束的能量和质量的检测分析。具体的，测量仪组件可以仅有光束质量分析仪，也可以仅有功率计，还可以既有光束质量分析仪及功率计，实现了对激光光束的能量和质量的分析检测。

参考图1，还可以在加工腔12外与下窗口相对的位置设置有至少能够在一个维度运动的运动平台，该运动平台位于加工腔12的下方，位于加工腔12下方的测量仪组件设置在该运动平台上，以便于将测量仪组件移动到适合检测激光光束的位置。例如，该运动平台可以带动测量仪组件能够实现沿与激光的光束垂直的方向上下移动；运动平台还可以带动测量仪组件能够实现在与激光的光束垂直的平面内做左右及前后运动；运动平台还可以带动测量仪组件能够沿某一方向做旋转运动。即只要能够实现运动平台带动测量仪组件在至少一个维度运动方式，都在本发明的保护范围之内。在具体设定运动平台时，运动平台可以采用由一个或多个直线电机的设置方式，以实现运动平台在至少一个维度的平移运动。还可以直线电机上设置旋转机构，以实现运动平台在某一维度的旋转。还可以采用机械手的方式实现。

还可以在加工腔12下方的运动平台上设置高温计，以便于对晶圆11上朝向载物台10的表面进行温度测量，实现对晶圆11的下表面在激光激光过程中的实时监测，便于提高采用激光退火时，对晶圆11下表面温度的检测，从而能够调整相关参数，提高对激光退火质量的把控。

通过采用单个激光器20及调整模块40，在应用时，使单个激光器20连续发射出同一频率及同一能量的激光，通过调整模块40分时调整预热及退火时激光光束的频率及能量，从而实现对晶圆11的退火。且仅仅使用一个激光器20，单光路进行加工，简化光路，有益于设备的集成化，且方便维护，降低成本。通过对单个激光器20进行控制，有效避免多激光器20带来的控制不稳定情况，使激光预热加工能量和退火加工能量的比值更加稳定，更容易达到实际退火温度需求。不会因为某个激光器20的波动影响整体结果。

另外，本发明实施例还提供了一种上述任意激光退火装置的退火方法，参考图4，该退火方法包括：

S10：将晶圆11保持在载物台10上；

S20：激光器20发射出第一设定频率及第一设定能量的激光光束；

S30：调整模块40将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量；

S40：整形元件对从调整模块40射出的光束进行整形；

S50：振镜系统60将从整形元件输出的光束聚焦在晶圆11的设定深度层，以对设定深度层进行预热；

S60：调整模块40停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层进行退火。

在上述的方案中，通过采用单个激光器20及调整模块40，在应用时，使单个激光器20连续发射出同一频率及同一能量的激光，通过调整模块40分时调整预热及退火时激光光束的频率及能量，从而实现对晶圆11的退火。且仅仅使用一个激光器20，单光路进行加工，简化光路，有益于设备的集成化，且方便维护，降低成本。通过对单个激光器20进行控制，有效避免多激光器20带来的控制不稳定情况，使激光预热加工能量和退火加工能量的比值更加稳定，更容易达到实际退火温度需求。不会因为某个激光器20的波动影响整体结果。下面结合附图对上述各个步骤进行详细的介绍。

首先，参考图1及图2，将晶圆11保持在载物台10上。可以将晶圆11的正面朝上或背面朝上放置(以图1或图2中的结构为参考)，具体根据是对晶圆11的正面退火还是对晶圆11的背面进行退火决定。

接下来，激光器20发射出第一设定频率及第一设定能量的激光光束。打开激光器20，使激光器20发射出单个的激光光束，且该激光光束的能量为能量较高的第一设定能量，该激光光束的频率为频率较高的第一设定频率。其中，该第一设定频率的大小可以为1Mhz～5Mhz，具体的，第一设定频率的大小可以为1Mhz、1.5Mhz、2.0Mhz、2.5Mhz、3.0Mhz、3.5Mhz、4.0Mhz、4.5Mhz、5.0Mhz等介于1Mhz～5Mhz之间的任意值。

接下来，调整模块40将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，其中，第二设定能量小于第一设定能量，即将激光器20发射出的高能量高频率的光束调整为低能量高频率的光束，以准备对晶圆11的设定深度层的退火区域进行预热。

接下来，整形元件对从调整模块40射出的光束进行整形。整形元件50为现有技术中能够调整激光光束的形状的光学组件，其能够将激光器20的光束整形为平顶光斑、高斯光斑等。光斑形状可为圆形、方形、长方形等。在这里，整形元件50优选的将激光器20发射出的激光光束的光斑整形为平顶光斑，以更好的实现对晶圆11某一退火区域的预热及退火。

接下来，振镜系统60将从整形元件输出的光束聚焦在晶圆11的设定深度层，以对设定深度层进行预热，以采用高频率低能量的光束对晶圆11的设定深度层的退火区域进行预热。

接下来，调整模块40停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层进行退火。具体的，在对晶圆11上设定深度层上的退火区域完成预热后，调整模块40停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，即在准备退火时，调整模块40将激光器20发射出的第一设定能量及第一设定频率的激光光束调整为第一设定能量及第二设定频率的激光光束，以采用高能量低频率的光束对晶圆11上预热过的退火区域进行退火。

在通过移动振镜系统60对晶圆11设定深度层上的退火区域进行退火时，可以采用不同的操作方法，可以先对晶圆11的设定深度层上的某一点进行预热；在对该一点预热完成后，无需移动振镜系统60，仅仅调整调整模块40，将调整模块40将第一设定能量及第一设定频率的激光光束调整为第二设定能量及第一设定频率的激光光束的调整模式，转变为：将第一设定能量及第一设定频率的激光光束调整为第一设定能量及第二设定频率的激光光束的调整模式。以将原来高频率低能量的预热光束转变为高能量低频率的退火光束。即此时，在单个点处先后完成预热及退火，作为一个周期，在该单个点处退火完成后，再移动到下一个点，重复上述的操作步骤。

参考图5，此时振镜系统60将从整形元件射出的光束聚焦在晶圆11的设定深度层，以对设定深度层进行预热具体为：

首先，振镜系统60将从整形元件射出的光束聚焦在设定深度层的一点上，对设定深度层的一点进行预热。

接下来，调整模块40停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层进行退火具体为：在对设定深度层的一点完成预热后，调整模块40停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层的一点进行退火。通过聚焦在设定深度层的某一点，先对该点进行预热，之后对该点进行退火，在此期间，无需移动光束，从而简化对光束的移动，便于控制及操作。

继续参考图5，在对设定深度层的一点完成退火后，振镜系统60使聚焦在设定深度层的一点上的光斑移动到设定深度层上的另一点处，并重复上述步骤对设定深度层的另一点进行预热与退火。通过将设定深度层的某一点完成退火后，再移动到另一点，依次逐个点的方式进行退火，使每次退火都能达到较好的退火效果，且便于控制光束的移动。

应当注意的是，振镜系统60移动光束的方式并不限于上述示出的以单个点先后完成预热及退火作为一个周期的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。

例如，还可以先通过移动振镜系统60在晶圆11的设定深度层上预热出一条线，之后移动振镜系统60，对该一条线进行退火。即采用先预热出一条线，之后对该一条线进行退火的方式。

参考图6，此时振镜系统60将从整形元件射出的光束聚焦在晶圆11的设定深度层，以对设定深度层进行预热具体为：振镜系统60将从整形元件射出的光束聚焦在设定深度层，并使聚焦在设定深度层的关闭在设定深度层移动，以对设定深度层上的一条线进行预热。此时，保持调整模块40的调整模式为：将激光器20输出的第一设定能量及第一设定频率的激光光束调整为第二设定能量及第一设定频率。保持激光器20处于打开状态，通过移动振镜系统60，在设定深度层上预热出一条线。具体的方式可以采用如图6的圆形光斑，且调整振镜系统60，使下一个圆形光斑与前一个圆形光斑具有重叠的部分，从而使该一条线上的预热宽度较为一致。也可以采用矩形光斑，此时，相邻的两个矩形光斑之间无需重叠，仅仅紧贴分布，即可预热出宽度较为一致的一条线。

接下来，参考图7，调整模块40停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层进行退火具体为：

在对设定深度层上的一条线完成预热后，振镜系统60使聚焦在设定深度层上的光斑移动到一条线的起始点；即在一条线预热完成后，可以关闭激光器20，并移动振镜系统60，使再次打开激光器20时，光束能够聚焦在该一条线的起始点处(以图7中该条线上位于左侧的点为起始点)。

调整模块40停止将激光光束的能量从第一设定能量调整为第二设定能量，并将激光光束的频率从第一设定频率调整为第二设定频率，以对设定深度层上预热后的一条线进行退火。即在关闭激光器20过程中，需要将调整模块40的调整模式进行改变，由原来的将高频率高能量的激光光束调整为低能量高频率的激光光束的调整模式，转变为，将原来的高频率高能量的激光光束调整为高能量低频率的激光光束的调整模式。在再次打开激光器20时，该调整模块40能够将激光器20发射出的高能量高频率的激光光束调整为高能量低频率的激光光束，以将激光光束调整为适合退火的退火光束。之后，保持调整模块40的调整模式不变，沿着原来预热好的一条线，由头至尾，完成对该一条线的退火。通过先对设定深度层上的一条线进行预热，之后对该一条线进行退火，在预热该一条线时，无需改变调整模块40的调整模式，同时在退火该一条线时，也无需改变调整模块40的调整模式，仅仅在预热及退火之间改变一次调整模块40的调整模式即可，简化操作，且一次能够对一条线进行退火，从而提高对晶圆11某一退火区域进行退火的效率。

另外，对设定深度层上的一条线的起始点预热完成后，到对设定深度层上一条线的起始点进行退火时，两者之间的时间间隔小于20ms，具体的，两者之间的时间间隔可以为10ms、12ms、14ms、16ms、18ms、19ms等小于20ms的任意值。使对一条线上的某点预热与退火之间的时间间隔较小，保证该一条线上的每一点的退火效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光退火装置，其特征在于，包括：

保持晶圆的载物台；

单个激光器，用于发射第一设定频率及第一设定能量的激光光束；

扩束准直元件，用于将所述激光光束进行扩束；

用于调整从所述扩束准直元件中射出的激光光束的频率及能量的调整模块；在预热时，所述调整模块调整所述激光光束的频率及能量分别为所述第一设定频率及第二设定能量；在退火时，所述调整模块调整所述激光光束的频率及能量分别为第二设定频率及所述第一设定能量；其中，所述第一设定能量大于所述第二设定能量，所述第二设定频率小于所述第一设定频率；

整形元件，用于对从所述调整模块射出的光束进行整形；

振镜系统，用于将从所述整形元件射出的光束聚焦在所述晶圆的设定深度层；所述振镜系统还用于使聚焦在所述设定深度层的光斑在所述设定深度层移动。

2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述调整模块包括：

将所述激光光束从所述第一设定频率调整为所述第二设定频率的偏振调节器；

将所述激光光束从所述第一设定能量调整为所述第二设定能量的声光调制器。

3.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述偏振调节器为电控的偏振调节器。

4.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一设定频率的大小为1Mhz～5Mhz，所述第二设定频率的大小为10Khz～100Khz。

5.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述振镜系统为二轴振镜系统。

6.一种如权利要求1所述的激光退火装置的退火方法，其特征在于，包括：

将晶圆保持在载物台上；

激光器发射出第一设定频率及第一设定能量的激光光束；

调整模块将所述激光光束的能量从所述第一设定能量调整为第二设定能量；

整形元件对从所述调整模块射出的光束进行整形；

振镜系统将从所述整形元件射出的光束聚焦在所述晶圆的设定深度层，以对所述设定深度层进行预热；

所述调整模块停止将所述激光光束的能量从所述第一设定能量调整为所述第二设定能量，并将所述激光光束的频率从所述第一设定频率调整为所述第二设定频率，以对所述设定深度层进行退火。

7.如权利要求6所述的激光退火装置的退火方法，其特征在于，所述振镜系统将从所述整形元件射出的光束聚焦在所述晶圆的设定深度层，以对所述设定深度层进行预热具体为：

所述振镜系统将从所述整形元件射出的光束聚焦在所述设定深度层的一点上，对所述设定深度层的一点进行预热；

所述调整模块停止将所述激光光束的能量从所述第一设定能量调整为所述第二设定能量，并将所述激光光束的频率从所述第一设定频率调整为所述第二设定频率，以对所述设定深度层进行退火具体为：

在对所述设定深度层的一点完成预热后，所述调整模块停止将所述激光光束的能量从所述第一设定能量调整为所述第二设定能量，并将所述激光光束的频率从所述第一设定频率调整为所述第二设定频率，以对所述设定深度层的一点进行退火。

8.如权利要求7所述的激光退火装置的退火方法，其特征在于，在对所述设定深度层的一点完成退火后，所述退火方法还包括：

所述振镜系统使聚焦在所述设定深度层的一点上的光斑移动到所述设定深度层上的另一点处，并重复上述步骤对所述设定深度层的另一点进行预热与退火。

9.如权利要求6所述的激光退火装置的退火方法，其特征在于，所述振镜系统将从所述整形元件射出的光束聚焦在所述晶圆的设定深度层，以对所述设定深度层进行预热具体为：

所述振镜系统将从所述整形元件射出的光束聚焦在所述设定深度层，并使聚焦在所述设定深度层的光斑在所述设定深度层移动，以对所述设定深度层上的一条线进行预热；

所述调整模块停止将所述激光光束的能量从所述第一设定能量调整为所述第二设定能量，并将所述激光光束的频率从所述第一设定频率调整为所述第二设定频率，以对所述设定深度层进行退火具体为：

在对所述设定深度层上的一条线完成预热后，所述振镜系统使聚焦在所述设定深度层上的光斑移动到所述一条线的起始点；

所述调整模块停止将所述激光光束的能量从所述第一设定能量调整为所述第二设定能量，并将所述激光光束的频率从所述第一设定频率调整为所述第二设定频率，以对所述设定深度层上预热后的一条线进行退火。

10.如权利要求9所述的激光退火装置的退火方法，其特征在于，对所述设定深度层上一条线的起始点预热完成后，到对所述设定深度层上一条线的起始点进行退火时，两者之间的时间间隔小于20ms。

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