TWI543264B - 雷射光束定位系統 - Google Patents

Description

雷射光束定位系統

本文所述之具體實施例係與半導體基板的熱處理有關。更具體而言，本文所述之具體實施例係與半導體基板之雷射熱退火的方法與設備有關。

雷射熱處理是半導體工業中常用之技術。對半導體基板進行雷射熱處理以進行與積體電路、大面積面板(例如平面顯示器與太陽能面板)、光子介質及磁性介質有關的各種再結晶、活化及退火處理。雷射處理可藉由雷射方法達到之大加熱率與快速產量，因而常被選擇使用。

在大部分的例子中，待處理之基板係位於雷射設備的支撐座上，而雷射係於該基板上調焦成一光點。然後移動基板，以使該雷射光點定位於基板上連續位置，直到基板上所有需要的位置都被處理為止。定位一般是利用一用於支撐基板之精確x-y階台而完成。基板也可在z方向中移動，以保持雷射光點在基板上之調焦。

由於半導體基板上的元件尺寸係隨摩爾定律(Moore’s Law)而降低，對於定位與調焦之精確控制的需求即隨之增加。雷射定位的不精確性會導致元件無法得到所欲之熱處理，卻又照射到不需要熱處理的其他位置。此外，相對於元件尺寸而言，由於輻射調焦的不精確性變得更大，因而更難以達到均勻處理。這些趨勢都快速增加了在x、y、z方向中階台之準確定位的困難性。因此，持續需要一種可產生改良之位置與調焦精確度的熱處理設備與方法。

本文所述之具體實施例提供了一種用於熱處理半導體基板之設備。該設備具有：一處理腔室；置於該處理腔室中之一旋轉基板支撐座；一光源，該光源可產生具有實質上均勻強度之一光束，該光源於一光束進入點處耦接於該處理腔室；一固定光學路徑長度光束定位組件，該固定光學路徑長度光束定位組件置於該腔室中並與該光束進入點光學相接，該固定光學路徑長度光束定位組件具有複數個可移動之光學組件；以及一控制器，該控制器耦接至該基板支撐座與該固定光學路徑長度光束定位組件，該控制器係配置以定位該光束定位組件的光學組件、以及一基板之一選擇部分，該基板係位於該基板支撐座上，使得光束可照射該選擇部分，且該光束之光學路徑長度，在基板的所有位置上都實質相同。

其他具體實施例提供了一種用於雷射退火腔室之光束定位設備，該光束定位設備具有一光束標定光學組件、一光束標定偵測器與一控制器，該控制器係配置為以一實質相同光學路徑長度，將一雷射輻射光束依序標定至複數個位置。

其他的具體實施例提供了一種將一雷射輻射光束標定於一表面上之一位置處的方法，包括：旋轉該表面至一可進入方向，藉以準備(staging)該靶材位置；將一捕光反射鏡定位於該靶材位置上方；決定一導光反射鏡之一反射點，使得從該導光反射鏡與該捕光反射鏡反射至該表面之該光束的光學路徑長度，係實質上等於一標定光學路徑長度；將該導光反射鏡移動至該反射點；旋轉該導光反射鏡，以引導光束至該捕光反射鏡；以及旋轉該捕光反射鏡，以引導光束至該靶材位置。

本文所述之具體實施例係大致上提供了一種用於熱處理一半導體基板之設備。第1A圖係根據一具體實施例之熱處理設備100的示意上視圖。熱處理設備100(可為一雷射退火腔室)包含一處理腔室102與一旋轉基板支撐座104，該旋轉基板支撐座104係置於該處理腔室102中。一輻射源110係在一光束進入點132處，耦接至處理腔室102。輻射源110具備一光學元件112，該光學元件112係輻射源110的一最終光學元件。輻射源110的最終光學元件112將雷射輻射光束114釋放至腔室102中。

光束114一般係由輻射源110予以成形，以在跨光束114的截面，具有均勻的強度分佈。在一具體實施例中，光束114具有均勻性為約2%或以下之強度分佈。可用於本發明之具體實施例中，產生輻射光束之輻射源係說明於美國專利公開號2009/0032511(公開於2009年2月5日)，且係藉由參照形式而併入本文。光束114也可成形為一種影像，該影像在投射於一表面上時具有特定輪廓。在一具體實施例中，光束114具有一圓形截面。在其他具體實施例中，光束114具有之截面形狀為方形、矩形或橢圓形。藉由在輻射源110的最終光學元件112中，納入一個具有所需形狀之光圈，即可產生光束114的截面形狀。

設備100更包含一光束定位組件134，該光束定位組件134置於腔室中，且與光束進入點132光學相通。光束定位組件134係將輻射光束114標定至一基板上的一靶材位置，該基板係置於旋轉基板支撐座104上。光束定位組件134(可為一光束標定光學組件)包含複數個可移動之光學組件。在第1A圖之具體實施例中，光束定位組件134包含一捕光反射鏡108與一導光反射鏡122，捕光反射鏡108與導光反射鏡122兩者皆被致動，以引導輻射光束114至置於基板的選擇位置上，該基板係位於旋轉基板支撐座104上。

導光反射鏡122係可由一線性致動器(未示於第1A圖中)，沿著y方向中的一第一y導引器120而移動，以改變導光反射鏡122和光束進入點132之間的距離「a」。捕光反射鏡108係可沿著一x導引器116與一第二y導引器118，而於x方向與y方向中移動。在一具體實施例中，旋轉基板支撐座104，以將捕光反射鏡108的x/y移動限制於直徑D2的一側。同時，導光反射鏡122沿第一y導引器120之y方向移動，係被限制於直徑D1的一側。由於反射鏡108、122係沿著反射鏡108、122各別線性導引器116、118與120而移動，兩反射鏡之間的距離「b」會改變。距離「a」與「b」定義了輻射光束114，從光束進入點運行到靶材位置之光學路徑長度的一部分。雖然第1A圖與第1B圖中描述的是平坦的平面反射鏡，然亦可使用曲面反射鏡(例如拋物線形、球形、橢面或圓柱形反射鏡)。

光束定位組件134一般係配置成一種固定路徑長度光束定位組件。因此，光束定位組件134的反射鏡108、122係由一控制器106所控制，控制器106係耦接至反射鏡108、122之線性致動器。控制器106移動反射鏡108、122，並旋轉基板支撐座104，以定位輻射光束114於一靶材位置，同時保持輻射光束114之固定光學路徑長度。固定路徑長度對於保持輻射光束114的截面積與強度分佈有所助益。依暴露而異之路徑長度的變化，會導致依晶片而異、或是在單一晶片之不同位置處之非均勻處理。

輻射源110係一連續波或脈衝雷射、或複數個連續波或脈衝雷射。輻射源110可以任何便利方式混摻、成形、或組合多重雷射的輸出，例如藉由從多重雷射、以所需頻率與相位差來產生脈衝，並摻以利用脈衝強化光學元件之脈衝，以產生任意形狀與暫時的能量分佈。輻射源110可另包含偏極化光學元件。在雷射熱退火設備之運作中，輻射光束114係藉由反射鏡108/122的連續動作而掃瞄通過基板的表面；或是當光束114照射基板時，反射鏡是靜止的，而當在階段式處理(stepping process)或是在任意組合中，中斷光束114時才移動反射鏡。

第1B圖為第1A圖之設備100的示意側視圖，在第1B圖之視圖中，係沿著y方向來看設備100。旋轉之致動器130(致動器130與控制器106連接)係耦接至基板支撐座104，以提供旋轉運動。第1A圖的第一y導引器120(可為一導軌或導桿)係由一支撐座128所支撐，且可包含第一y導引器120之致動器。捕光反射鏡108係從線性導引器116、118、由一旋轉之支撐座126(支撐座126具有與控制器106連接之一旋轉致動器124)所支撐。致動器124旋轉捕光反射鏡108，使捕光反射鏡108以適於將光束114引導致靶材位置之角度，面對導光反射鏡122。導光反射鏡122同樣地從導光反射鏡122的線性導引器(未示於第1B圖中)、由一類似旋轉支撐座予以支撐，旋轉支撐座具有與控制器106連接之一第二旋轉致動器130。

旋轉致動器124、130可依據特定具體實施例所需的自由度，使反射鏡122、108繞著一軸、兩軸、或三軸旋轉。舉例而言，在例如第1A圖與第1B圖所示之具體實施例(其中捕光反射鏡係移動於x-y平面)中，各反射鏡122、108係受限於繞著垂直於x-y平面、平行於z方向之一軸旋轉，捕光反射鏡108之旋轉軸係運行通過(running through)捕光反射鏡108的一中央部分，例如捕光反射鏡108的中心或質量中心；導光反射鏡122的旋轉軸係沿著導光反射鏡122之直徑而運行，使得導光反射鏡122係沿著z方向定向。在這樣的具體實施例中，兩個反射鏡108與122係一起旋轉，因此反射鏡108與122總是光學連接，以將光束114引導至直徑D2(第1A圖)之一側上的所有靶材位置，之後基板支撐座104係旋轉180度，以使光束可進入基板上所有其他靶材位置。

當基板具有未沿著基板半徑而定位之晶片時，此具體實施例會是有助益的。舉例而言，矽晶圓可具有在晶圓表面上，沿直線格柵定向之矩形晶片。當欲利用矩形雷射光點來處理矩形晶片時，一般都需要使雷射光點的方向與晶片的方向對齊。將基板支撐座104旋轉一個非180度之倍數的任何角度距離，即會改變晶片相對於雷射光點之方向。因此，對於這些處理而言，能夠處理在直徑D2的一側上之所有晶片的光束定位組件之具體實施例是有助益的。

在雷射光點不具特定方向的具體實施例中，例如當雷射光點具有圓形截面時，即可進一步藉由例如限制捕光反射鏡108與導光反射鏡122在y方向上移動，限制反射鏡122與108之自由度。在此具體實施例中，係使基板支撐座104針對待處理之每一個靶材位置而旋轉一預定量，藉此保持光束114的固定路徑長度。在此具體實施例中，不希望受到熱處理的基板部分，會自雷射光點暴露於退火輻射。舉例而言，藉由高發射率塗層來掩蔽基板，可保護基板上的這些位置。

或者是，輻射源係包含一可旋轉光圈(例如被納入輻射源110的最終光學元件112中)，以產生一定向雷射光點(例如一矩形雷射光點)，可旋轉光圈可以跟隨靶材位置之旋轉方向而旋轉。控制器106係透過一旋轉致動器而與該可旋轉光圈連接。使輻射源110發出之光束114成形的光圈，一般係包含一熱穩定或耐火材料(例如陶瓷)，以抵抗長時間及/或重複之照射。面對輻射源110內部之光圈表面，一般將受到配置於輻射源中之雷射、或多個雷射的長時間及/或重複照射，因此，光圈的內部表面、或是整個光圈將包含一抗熱或耐火材料。在某些具體實施例中，入射至光圈內部表面的輻射之熱效應，可藉由自粗糙表面將輻射散射、或藉由表面塗覆反射性或高發射率材料而有所緩和。在其他具體實施例中，藉由形成供冷卻流體通過部分光圈的通道，便可冷卻可旋轉光圈。

從導光反射鏡122到捕光反射鏡108、投射至第1B圖的x-z平面上之距離係以「b」表示。從捕光反射鏡108之距離「c」，在加入從光束進入點132至導光反射鏡122之距離「a」、以及從導光反射鏡122至捕光反射鏡108之距離「b」後，即為腔室內部之光束的光學路徑長度。如果需要的話，控制器106沿著各別線性導引器116/118/120而調整各反射鏡108/122的位置、各反射鏡108/122的旋轉、以及基板支撐座104的角度方向，以保持a+b+c的總和為實質固定。保持實質上固定的光學路徑長度可保持光束114的均勻強度分佈，提升在單一靶材位置上與所有靶材位置間之處理均勻度。

在反射鏡108/122一起於y方向中移動的具體實施例中，捕光反射鏡108係於x方向中移動以補償從光束進入點到導光反射鏡122之距離「a」。在此具體實施例中，不需要旋轉反射鏡，而靶材位置係沿著基板支撐座的半徑而與設備的x軸呈45度之角度移動。為到達基板支撐座上之基板的所有可能靶材位置，係旋轉支撐座以使靶材位置沿著光束進入線(beam access line)。在這些例子中，旋轉基板支撐座即旋轉靶材位置的方向，因此使用非定向之光束、或使用一可旋轉光圈來調整光束方向。

在某些具體實施例中係可藉由提供輻射源之增加定位調整、旋轉調整、以及焦距調整而提升精確度。圖2為含有焦距調整設備之具體實施例的雷射設備200的示意圖。雷射設備200係繪示為與導光反射鏡122和捕光反射鏡108之相互關係，此相互關係係相對於基板214而呈一假設方向。設備200包含一雷射源202，雷射源202係以任何需要方式而光學性組合之複數個雷射，雷射源202發射一雷射輻射光束而通過與一致動器212連接之調焦鏡206，致動器212調整調焦鏡206的焦距。

用於大部分具體實施例之調焦鏡係可被快速調整，且一般都是可抗熱的。在一具體實施例中，係使用具導管之液體單元調焦鏡，該導管係供液體流動於鏡片間。在另一具體實施例中，調焦鏡含有通道或導管，以供冷卻流體流經液體單元外部的鏡片。在其他具體實施例中，係使用液晶鏡片。

致動器212係由控制器加以控制，例如第1A圖與第1B圖之控制器106。控制器接收代表偵測器210之焦距的一訊號，偵測器210係配置以偵測從發射器204所發出之輻射閃光或光束。發射器204係一雷射或其他來源，發射器204係配置以發出可由偵測器210區別之輻射。發射器204發出一光束或閃光通過光圈208，並沿著雷射輻射所依循的實質相同光學路徑行進，即從調焦鏡206至基板214之路徑。從基板214之反射光係由偵測器210偵測。控制器記錄光學路徑長度，並透過致動器212調整調焦鏡206。偵測器210對光圈208之鄰近距離係達最小，以確保在調焦鏡206之自動調焦時具有最佳精確度。

偵測器210係具任何便利類型之光子偵測器，包含相機。可使用之光子偵測器類型包含CCD矩陣與光二極體陣列。在某些具體實施例中，偵測器210係另可為光強度均勻性偵測器。

在替代具體實施例中，基板支撐座包含固定在一精確x-y階台上之一精確旋轉器，以使置於支撐座上之基板產生x-y移動與旋轉動作。在某些具體實施例中，藉由以x-y階台作總量定位、以及以本文所述之精確光學元件作精細定位，加入x-y定位可改良處理量。在另一替代具體實施例中，可利用成像裝置來觀看通過輻射源110的光圈或最終光學元件的輻射光束之光學路徑，以改良光束定位與調焦。舉例而言，CCD矩陣係可與輻射源110合併以收集沿著光學路徑行進、從基板反射之輻射。控制器106使用來自CCD矩陣之資料來產生本文所述之任何致動裝置的控制訊號，以改良光束的定位與調焦。

第3圖為根據另一具體實施例之熱處理設備300的示意上視圖。設備300之具備與上述第1A圖與第1B圖中的許多組件相同。設備300具有一外殼302，外殼302具有一第一旋轉基板支撐座304A與一第二旋轉基板支撐座304B。各基板支撐座係固定一供處理的基板。輻射源110係用以藉由旋轉導光反射鏡122以將光束引導於第一基板支撐座304A上方(如光束114A)、或於第二基板支撐座304B上方(如從虛線繪示之反射鏡122反射之光束114B)而同時、或連續處理兩個基板。各基板支撐座具有一個別的光束定位組件，光束定位組件具有利用個別線性導引器316A/B與318A/B而定位的個別捕光反射鏡308A與308B。在此一設備中，導光反射鏡122係旋轉以交替地引導光束於第一與第二基板支撐座304A/B上方，而同時處理基板、或依序處理基板(其中一處理站係主動處理，而另一則載入與移除基板)。

在其他具體實施例中，複數個捕光反射鏡與導光反射鏡係與單一基板支撐座一起使用，不旋轉基板而定位(address)基板上所有點處的靶材位置。在一示範具體實施例中，一第一導光反射鏡可與一第一捕光反射鏡一起使用，以覆蓋一半基板上方的靶材位置，第一導光反射鏡以上述方式移動，以保持一第一固定路徑長度。第一導光反射鏡接著停止於一位置，以控制光束到一第二導光反射鏡，第二導光反射鏡與一第二捕光反射鏡一起移動，保持第二固定路徑長度(不同於第一固定路徑長度)涵蓋剩下的靶材位置。

本文所揭露之具體實施例也提供了一種於基板上一位置處標定雷射輻射光束的方法，該方法包含了旋轉該表面至一方向以準備該靶材位置，在此方向靶材位置可使一光束定位光學組件組件進入；以及定位一捕光反射鏡於該靶材位置上方。該捕光反射鏡將來自一來源之雷射輻射光束反射至靶材位置。

在一具體實施例中，輻射光束的光學路徑長度，係保持為在表面的所有靶材位置上都實質相同。光束轟擊在捕光反射鏡上之來源位置，係藉由確認導光反射鏡之反射點而辨識，從導光反射鏡與捕光反射鏡反射至靶材位置之光束的光學路徑長度，係實質上等於一標定光學路徑長度。光束係從一固定點而被引導向導光反射鏡，因此光學路徑長度僅與導光反射鏡、捕光反射鏡的位置、以及靶材位置有關。導光反射鏡係移動至所辨識之反射點，且兩個反射鏡以如同在光學連接上需要對齊般旋轉。利用一控制器來使各種元件同時同步化，以提升標定速度。

為了提升標定的精確度，可進行各種游標(vernire)調整。舉例而言，可在偵測出初始定位準確度之後，調整光束來源的固定點。若需要維持特定焦距，則利用任何便利之偵測器，來偵測光學路徑長度(例如本文所述之任何方法)，且可利用與控制器連接之調焦鏡來調整焦距。最後，若光束具有一所需旋轉方向，係可提供一可旋轉光圈，可旋轉光圈在控制器的控制下可精確調整方向。

在其他具體實施例中，可使用一鏡片作為光束在抵達靶材位置前之最終調整。鏡片可係僅為一位置調整鏡片(例如與光束傳遞方向傾斜一角度之平面稜鏡)、或是鏡片係一非必要之主動鏡片(例如投射鏡片)。鏡片或稜鏡係移動於一靶材位置上方、接收來自一光源(例如本文所述之任一反射鏡)之輻射光束、並將光束精確地引導至靶材位置。鏡片或稜鏡係如上述般定位，且旋轉以達到需要的方向。

前述說明係針對本發明之具體實施例而行，然在不背離本發明之基本範疇下，亦可提出本發明之其他與進一步的具體實施例。

100．．．熱處理設備

102．．．處理腔室

104．．．基板支撐座

106．．．控制器

108．．．捕光反射鏡

110．．．輻射源

112．．．最終光學元件

114．．．輻射光束

114A．．．光束

114B．．．光束

116．．．線性導引器

118．．．線性導引器

120．．．第一y導引器

122．．．導光反射鏡

124．．．旋轉致動器

126．．．旋轉支撐座

128．．．支撐座

130．．．旋轉致動器

132．．．光束進入點

134．．．光束定位組件

200．．．雷射設備

202．．．雷射源

204．．．發射器

206．．．調焦鏡

208．．．光圈

210．．．偵測器

212．．．致動器

214．．．基板

300．．．熱處理設備

302．．．外殼

304A．．．第一基板支撐座

304B．．．第二基板支撐座

308A．．．捕光反射鏡

308B．．．捕光反射鏡

316A．．．線性導引器

316B．．．線性導引器

318A．．．線性導引器

318B．．．線性導引器

為能更詳細瞭解本發明之上述特徵，可參照具體實施例(部分具體實施例係以描述於如附圖式中)來更詳細說明上文中簡要說明之本發明。然應注意，如附圖式僅說明了本發明之典型實施例，因此不應被視為對本發明範疇之限制，因為本發明也可有其他等效具體實施例。

第1A圖係根據一具體實施例之熱處理設備的示意上視圖。

第1B圖是第1A圖之熱處理設備的示意側視圖。

第2圖是根據另一具體實施例之雷射設備的示意圖。

第3圖是根據另一具體實施例之熱處理設備的示意上視圖。

為助於瞭解，在圖式中係已盡可能地使用相同的元件符號來表示相同的元件。應知在一具體實施例中所揭露之元件係可有利地用於其他的具體實施例中，而無須特地說明。

100．．．熱處理設備

102．．．處理腔室

104．．．基板支撐座

106．．．控制器

108．．．捕光反射鏡

110．．．輻射源

112．．．最終光學元件

114．．．輻射光束

116．．．線性導引器

118．．．線性導引器

120．．．第一y導引器

122．．．導光反射鏡

132．．．光束進入點

134．．．光束定位組件

Claims (13)

1. 一種用於對一半導體基板進行熱處理之設備，包含：一旋轉基板支撐座；一輻射源，該輻射源可產生一輻射光束，該輻射光束於靠近該旋轉基板支撐座處實質上具有均勻強度，該輻射光束於一光束進入點處從該輻射源發出；一固定光學路徑長度光束定位組件，該固定光學路徑長度光束定位組件係配置成與該光束進入點光學相通，該固定光學路徑長度光束定位組件具有複數個可移動光學組件，其中該些可移動光學組件包含：一第一反射鏡與一第二反射鏡，該第一反射鏡耦接至一第一線性致動器與一第一旋轉致動器，且該第二反射鏡耦接至一第二線性致動器與一第二旋轉致動器，其中該第一線性致動器使該第一反射鏡沿著一第一方向移動，且該第二線性致動器使該第二反射鏡沿著該第一方向移動；以及一控制器，該控制器耦接至該基板支撐座與該固定光學路徑長度光束定位組件，該控制器係適以定位該光束定位組件的該些光學組件以及一基板之一選擇部分，該基板係位於該基板支撐座上，使得該光束照射該選擇部分，且該光束之光學路徑長度在該基板的所有位置上都實質相同。
2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中各旋轉致動器繞著垂直於該第一方向之一軸而旋轉。
3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該第二反射鏡亦沿著與該第一方向垂直之一第二方向移動，其中各旋轉致動器繞著垂直於該第一方向與該第二方向之一軸而旋轉。
4. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該輻射源包含一致動光圈，該致動光圈耦接至該控制器，且該控制器係進一步調適成，根據該光束在該基板上的該位置而定位該光圈。
5. 如申請專利範圍第4項所述之設備，更包含：一光束定位偵測器，該光束定位偵測器發送一光束定位訊號至該控制器。
6. 如申請專利範圍第5項所述之設備，其中該光束定位偵測器包含一相機。
7. 如申請專利範圍第4項所述之設備，其中該光束具有一非均勻截面形狀，且該光源的該最終光學元件的該致動器係使該光圈旋轉以定向該光束。
8. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中該相機偵測該光束的一強度分佈，該最終光學元件包含一調焦鏡，且該控制器係進一步調適成，根據該光束的該強度分佈調整該調焦鏡。
9. 一種用於將一雷射輻射光束標定於一表面上之一靶材位置之方法，該方法包含以下步驟：藉由旋轉該表面至一可進入方向，準備(staging)該靶材位置；將一捕光反射鏡定位於該靶材位置上方；決定一導光反射鏡之一反射點，使得從該導光反射鏡與該捕光反射鏡反射至該靶材位置之該光束的一光學路徑長度係實質上等於一標定光學路徑長度；在一第一方向中移動該導光反射鏡至該反射點；旋轉該導光反射鏡，以引導該光束至該捕光反射鏡；旋轉該捕光反射鏡，以引導該光束至該靶材位置以及根據需要，在一第二方向中移動該捕光反射鏡，該第二方向垂直於該第一方向與一第三方向，該第三方向平行於該第一方向。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包含以下步 驟：偵測該光束標定之準確性，並藉由調整一光束來源點而改良該光束標定。
11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中準備該靶材位置、將該捕光反射鏡定位於該靶材位置上方、移動該導光反射鏡、以及旋轉該導光反射鏡與捕光反射鏡之步驟係同時進行。
12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包含以下步驟：偵測該光束的焦點，並藉由調整一調焦鏡來改良該光束焦點。
13. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包含以下步驟：藉由旋轉位於一光束來源點處的一光圈來調整一光束方向。