CN101065829B - 用于基于退火系统的高功率激光二极管的自动聚焦装置 - Google Patents

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Abstract

一种热处理衬底的设备包括具有沿着慢轴排列的多个激光二极管的激光辐射源、将来自源的激光辐射定向到衬底的镜片，以及沿着垂直于慢轴的快轴排列并接收从衬底反射通过镜片的部分激光辐射的光电探测器阵列。

Description

用于基于退火系统的高功率激光二极管的自动聚焦装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2004年11月12日提交的No.60/627,530的美国临时申请的优先权。
技术领域
本发明主要涉及半导体衬底的热处理。更具体地，本发明涉及半导体衬底的激光热处理。
背景技术
在硅和硅晶圆中形成的其它半导体集成电路或者诸如用于显示器的玻璃板的其他衬底的制造中需要热处理。所需温度可从低于250℃的相对低温变化到高于1000℃、1200℃或者甚至1400的温度，并且可能用于多种工艺诸如掺杂注入退火、结晶化、氧化、氮化、硅化和化学气相沉积以及其他反应中。
对于需要用于高级集成电路的极浅电路特征，非常期望在实现所需的热处理中减少总热预算。热预算被认为是在需要达到所需处理温度的高温时的总时间。晶圆需要保留在最高温度的时间可以非常短。
快速热处理(RTP)采用辐射灯，该辐射灯可以快速开启和关闭以仅加热晶圆而不加热腔室的其余部分。采用甚短(约20ns)激光脉冲的脉冲激光退火在仅加热表面层而不加热下层晶圆时是有效的，因此其允许甚短升降速度。
在2002年12月18日递交的申请号为No.10/325,497的美国专利申请中，Jennings等人在PCT/2003/00196966中描述了近来开发的以各种形式的方法，有时称为热通量激光退火或者动态表面退火(DSA)，并在此引入其全部内容作为参考。Markle在No.6,531,681的美国专利中描述了不同的形式。Talwar在No.6,747,245的美国专利中描述了另一方案。
Jennings和Markle方案采用CW二极管激光器以生成非常强的光束，其以细长直线的辐射照射晶圆。然后，该直线在垂直于线束长尺寸的方向扫描整个晶圆表面。
发明内容
一种热处理衬底的设备包括具有沿着慢轴排列的多个激光二极管的激光辐射源、将来自源的激光辐射定向至衬底的镜片，以及沿着垂直于慢轴的快轴排列并接收从衬底反射通过镜片的部分激光辐射的光电探测器阵列。激光二极管可实施沿着慢轴的平行列的激光二极管。该设备进一步包括用于改变(a)衬底和(b)镜片之间距离的第一平移装置，以及接收光电二极管阵列的输出并响应该输出控制平移装置以在衬底上聚焦激光辐射的控制器。更适宜地，配置镜片以在衬底上将激光辐射聚焦为具有沿着慢轴的长尺寸和沿着快轴的短尺寸的线束。第二平移装置彼此相对至少以快轴方向移动镜片和衬底。
附图说明
图1是在本发明中采用的热通量激光退火设备的正视表示图；
图2和图3是图1的装置的光学元件的不同透视正视图；
图4是在图1的设备中的半导体激光器阵列的一部分的端视平面图；
图5是用于图1设备的均匀光管的正视图；
图6是优选实施方式的示意图；
图7是图6的实施方式的正视投影表示图；
图8、图9和图10是分别对应于镜片与衬底之间距离聚焦、太近和太远的图7的设备中光线轨迹的示意图；
图11、图12和图13是分别对于镜片与衬底之间距离聚焦、太近和太远的入射和反射光束沿快轴的表示图；
图14是对于两个不同镜片与衬底之间距离的标称最佳聚焦快轴光强度分布图。
具体实施方式
在图1的示意性正视图中示出了由Jennings等人在前面所参考的申请中所描述设备的一个实施方式。用于二维扫描的门架结构10包括一对固定的平行轨道12、14。两个平行的门架梁16、18以设定的距离隔开固定在一起，并被支撑在固定的轨道12、14上，以及由未示出的电机和驱动装置控制以沿着固定的轨道12、14在辊轴承或滚珠轴承上一起滑动。束源20可滑动地支撑在门架梁16、18上，并可在由未示出的电机和驱动装置控制的梁16、18下面悬挂以沿着它们滑动。硅晶圆22或者其他衬底固定地支撑在门架结构10下方。束源20包括激光源和镜片以产生向下定向的扇形光束24，其以通常平行于固定轨道12、14延伸的线束26辐射晶圆22，其中该方向简称为慢方向。尽管此处没有示出，门架结构进一步包括用于在通常平行于扇形束24的方向移动激光源和镜片的Z-轴台，从而可控地改变束源20与晶圆22之间的距离，因此控制在晶圆22上的线束26的聚焦。线束26的示例性尺寸包括1cm的长度和66微米的宽度以及220kW/cm2的示例性功率密度。可选地，束源和相关镜片可以是固定的，而将晶圆支撑在二维扫描的台上。
在典型的操作中，门架梁16、18沿着固定的轨道12、14设置在特定的位置，以及束源20以均匀速度沿着门架梁16、18移动以垂直于简称为快方向的线束26的长尺寸方向而扫描线束26。从而，线束26从晶圆22的一侧到另一侧扫描以照射晶圆22的1cm的长列(swath)。线束26足够狭窄并且在快方向的扫描速度足够快，晶圆的特定区域仅即刻暴露于线束26的光学辐射但是线束峰强度足以加热表面区域至甚高温度。然而，晶圆22的较深部分没有明显加热并且进一步作为吸热部件(heat sink)以快速冷却表面区域。一旦完成快速扫描，沿着固定轨道12、14移动门架梁16、18至新的位置，使得线束26沿着沿慢轴延伸的其长尺寸移动。然后，实施快速扫描以照射晶圆22的相邻细长列。重复交替的快慢扫描，可以以束源20的蛇线轨迹，直到整个晶圆已完成热处理。
光学束源20包括激光器阵列。在图2和图3中以正视地示出了一实施例，其中在光学系统30中从两个激光棒堆叠32产生约810nm的激光辐射，在图4的端视平面图中示出了其中一个激光棒堆叠。每个激光棒堆叠32包括14个平行的棒34，一般对应于GaAs半导体结构中的垂直p-n结，水平延伸约1cm并隔开约0.9mm。典型地，水冷却层设置在棒34之间。在每个棒34中形成49个发射器36，各发射器组成在正交方向发射具有不同发散角的独立光束的独立GaAs激光器。设置所示的棒34，它们的长尺度在多个发射器36上方延伸，并沿着慢轴对齐以及它们的短尺寸对应于沿着快轴对齐的小于1微米的p-n耗尽层。沿着快轴的小光源尺寸允许沿着快轴的有效准直。发散角沿着快轴为大的，而沿着的发散角慢轴相对较小。
回到图2和图3，两个阵列的圆柱形小透镜40沿着激光棒34设置以沿着快轴将激光准直在窄光束中。它们可用粘合剂粘接在激光堆叠32上并与棒34对齐以在发射区域36上方延伸。
光学束源20可进一步包括传统的光学元件。这种传统的光学元件可包括交织器和偏振复用器，尽管普通技术人员对这种元件的选择不限于该实施例。在图2和图3的实施例中，来自两个棒堆叠32的两组光束输入至交织器42，其具有多光束分离器型的结构并在两个内斜面例如反射平行带上具有特定的涂层，以选择性地反射并透射光。所述交织器可从Research Electro Optics(REO)购买得到。在交织器42中，对于来自两个棒堆叠32的各组光束，图案化的金属反射器带在成角的表面中形成，使得来自堆叠32一侧上的棒34的光束交替反射或者透射，从而与来自堆叠32另一侧的棒34的光束交织，该光束经过相应的选择性透射/反射，从而填充辐射轮廓，否则该辐射轮廓与独立的反射器36隔开。
第一组交织的光束通过四分之一波长板48，以相对第二组交织光束的偏振而旋转所述波长板48的偏振。两组交织光束输入至具有双偏振光束分离器的偏振复用器(PMUX)52。这种PMUX可从Research Electro Optics购买得到。第一和第二斜界面层54、56导致两组交织光束从它们的前表面沿着公共轴反射。第一界面54一般用作设计为硬反射器(HR)的介电干涉滤波器，同时第二界面56用作设计为在激光波长处的偏振光束分离器(PBS)的介电干涉滤波器。因此，从第一界面层54反射的第一组交织光束冲击(strike)第二界面层56的背面。由于由四分之一波长板48引入的偏振旋转，第一组交织光束经过第二界面层56。由PMUX 52输出的源光束58的强度为两组交织光束的任意其中之一的强度的两倍。
虽然在附图中分别示出，交织器42、四分之一波长板48和PMUX 52以及其界面54、56，以及附加的可粘接于输入和输出表面的滤波器通过诸如UV可固化的环氧物的塑料密封剂典型的连在一起，以提供刚性光学系统。一个重要的界面是小透镜(lenslet)40塑性连接到激光堆叠32上，在该界面上它们必须与棒34对齐。源光束58经过一组圆柱形透镜62、64、66以沿着慢轴聚焦源光束58。
一维光管70使源光束沿着慢轴均匀。利用圆柱形透镜62、64、66聚焦的源光束沿着慢轴以微小的发散角进入光管70，但基本沿着快轴准直。光管70，在图5的正视图中更清楚地示出，作为光束均化器以减少沿着由在慢轴上间隔分开的棒堆叠32中的多个发射器36引入的沿着慢轴的光束结构。光管70可作为具有足够高折射率的光学玻璃的矩形板72以产生全内反射。它沿着慢轴具有短尺寸以及沿着快轴具有较长的尺寸。平板72沿着源光束58的轴74延伸大的距离，其中源光束58沿着慢轴在输入面76上会聚。当源光束58在输出面78上时，源光束58从平板72的顶表面和底表面多次内反射，从而去除沿着慢轴的大量纹理并使沿着慢轴的光束均匀。然而，源光束58已经沿着快轴良好准直(利用圆柱形小透镜40)以及平板72足够宽从而源光束58没有在平板72的侧表面上内反射而沿着快轴保持准直。光管70沿着其轴方向为锥形的以控制入口和出口以及光束会聚和发散。一维光管可替代地实施为两个平行的反射表面，其一般对应于具有源光束经过其两者之间的平板72的上表面和下表面。
由光管70输出的源光束通常为均匀的。如在图6的示意图中进一步示出，进一步的变形透镜组或镜片80、82扩张在慢轴上的输出光束并包括一般球形的透镜以将预期的线束26投射到晶圆22上。变形镜片80、82定形呈二维的源光束以产生限定长度的窄线束。在快轴方向，输出镜片在光管的输出处对光源具有无穷共轭(虽然可能设计系统具有有限光源共轭)以及在晶圆22的成像平面处具有有限共轭，而在慢轴方向，输出镜片在光管70的输出处的光源具有有限共轭，以及在成像平面处具有有限共轭。另外，在慢轴方向，通过光管70使来自激光棒的多个激光二极管的非均匀辐射均匀化。光管70均匀化的能力强烈依赖于光被反射通过光管70的次数。该次数由光管70的长度、锥形的方向(如果有的话)、入口和出口的尺寸以及进入光管70的入射角确定。进一步的变形镜片将源光束在晶圆22的表面上聚焦成预期尺寸的直线光束。
优选地提供自动对焦能力，使得可以实时自动调整镜片和晶圆22之间的距离，以提供在晶圆22上良好对焦的线束。自动对焦在照相机中是众所周知的。然而，传统的自动对焦技术不能简单应用于图2和图3示出的复杂光学系统。特别地，沿着慢轴提供光束均匀化的单轴光管70与传统的自动对焦技术和装置不一致。
在本发明的一个方案中，仅监控来自晶圆的线束26的反射沿着快轴的变化。如图6和图7的正视图中所示，投射线束26至晶圆22上的相同镜片62、64、66、80还用于将从晶圆22反射的激光引导至设置在与晶圆22相对的PMUX 52的一侧上的电荷耦合器件(CCD)阵列90。光管70是镜片80和光学透镜62、64、66的媒介。CCD阵列90包括沿着一个轴并可能沿着两个轴排列的多个光敏电荷耦合器件。然而，可以采用其他直线型或者矩形型的光电探测器。在PMUX 52中波长选择反射表面54、56是十分无效的(即，具有小于100％的反射率)，使得从晶圆22反射的激光小部分但有限的部分经过反射表面54、56并到圆柱形透镜92(图6)，当反射光照射CCD阵列90时，该圆柱形透镜92沿着慢轴聚焦反射光但使其基本沿着快轴准直。(可将快轴和慢轴投射至两个晶圆22以及CCD阵列90上。)圆柱形透镜92可用于减小慢方向上的孔以增加光产量，原因在于光管70抑制在该方向上的信息。CCD阵列90将光的快轴分布提供至源控制器94，其确定线束26是否充足聚焦在晶圆22上或者束源20和晶圆之间的分离是否过大或者过小。因此，为了更好聚焦，源控制器94使束源20安装在的图1的门架结构中的Z-轴台96以朝着或者远离晶圆移动。应当理解，晶圆22可支撑在Z-轴台上，从而它可朝着或者远离束源20移动，否则其将沿着Z-轴固定。
沿着快轴的光的角度分布包括关于反射平面，即晶圆22位置的信息。将在CCD阵列90的理想(聚焦)快轴光分布或者轮廓的模式确定为散焦位置的快轴分布。折回或者反射的光分布适于最佳模式，从而确定聚焦条件。标称的最佳聚焦是在所有光返回沿着快轴(在CCD阵列90处)的孔径大小与最初将光从激光棒32指引到晶圆的光的源孔相同的条件下实现。
图8示出了沿着快轴的标称最佳聚焦，其中晶片62、64、66和80将基本上准直的激光辐射100聚焦为晶圆22上的线束。该略图进一步示出了在围绕中心轴106排列的线束的外围上的光线的入射路径102和反射路径104。然而，如图9中所示，如果晶圆22太靠近镜片，  则反射路径104b接近中心轴106并生成较窄的准直回束。另一方面，如图10中所示，如果晶圆22远离镜片，则返回路径104c更远离中心轴并产生较宽的准直回束。应该理解，入射光线应从中心轴106的每一侧追踪以提供快轴分布。
对于图11中的标称的最佳聚焦的条件、图12中晶圆太接近源的的条件和图13中晶圆离源太远的条件，更为完整的模拟示出了准直源束110和接近PMUX的准直回束112。图14的图表中的线114示出了标称的最佳聚焦的快轴强度分布，以及线116示出了过于远离源达500微米的条件。
应该理解在不需要扫描线束的本发明的一些较多基本方案中，快轴和慢轴可以简单理解为垂直的第一和第二轴。还应该理解由于镜片改变主要光学轴的方向，快轴和慢轴可在绝对空间中变化。
在聚焦激光束中，在一些替代的实施方式中，相对于衬底22移动激光器32或者甚至包括光源20内的激光器32都不是必须的，倘若相对于衬底22移动光源20的其它部件(例如，透镜62、64、66、80和均化器70)。
可不用交织器42或者偏振复用器52或着两者都不用而执行本发明。作为一个可能的实施例，可采用类似于反射表面54、56(或者类似与其中之一)的光学元件以实施本发明，元件不是偏振复用器的部分。尽管通过详细参照优选实施方式，具体描述了本发明，但是应该理解在不脱离本发明的实际精神和范围下，可以对本发明进行变化和修改。

Claims (15)

1.一种热处理衬底的装置，包括：
激光辐射源，包括沿慢轴排列的多个激光二极管；
镜片，将来自所述源的所述激光辐射定向至所述衬底；
线阵列，包括多个光电探测器，所述多个光电探测器沿着垂直于所述慢轴的快轴排列并接收从所述衬底反射通过所述镜片的部分所述激光辐射；
第一平移装置，用于通过沿单个轴平移所述衬底和所述镜片之一来改变(a)所述衬底和(b)所述镜片之间的距离；以及
控制器，耦连以接收所述线阵列的所述多个光电探测器的输出，并响应所述线阵列的所有所述光电探测器的输出而控制所述平移装置以在所述衬底上聚焦所述激光辐射，所述输出表示沿着所述线阵列的光分布；
其中所述沿着所述线阵列的光分布包括关于所述衬底的位置的信息，所述光分布为来自所述衬底的线束的反射沿着所述快轴的变化，标称的最佳聚焦是在所有光返回沿着所述快轴的孔径大小与最初从所述激光辐射源指引的光的源孔相同的条件下实现。
2.根据权利要求1所述热处理衬底的装置，其特征在于，所述多个激光二极管包含沿着所述慢轴的平行列的激光二极管。
3.根据权利要求1所述热处理衬底的装置，其特征在于，配置所述镜片以在所述衬底上将所述激光辐射聚焦成线束，所述线束具有沿着所述慢轴的长尺寸和沿着所述快轴的短尺寸。
4.根据权利要求1所述热处理衬底的装置，其特征在于，进一步包括用于至少在所述快方向上彼此相对移动所述镜片和所述衬底的第二平移装置。
5.一种热处理衬底的方法，所述方法包含以下所述步骤：
以包含具有沿着慢轴的短尺寸和沿着快轴的长尺寸的线束的激光辐射照射所述衬底，多个激光二极管从沿着所述慢轴排列的各个区域发出所述激光辐射；
确定从所述衬底反射的部分所述激光辐射沿着所述快轴的分布；以及
改变所述镜片和所述衬底沿着单个轴之间的距离以修改所述分布，从而使所述激光辐射聚焦在所述衬底上，其中标称的最佳聚焦是在所有光返回沿着所述快轴的孔径大小与最初从所述激光辐射源指引的光的源孔相同的条件下实现。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，实施所述改变所述镜片和所述衬底之间的距离的步骤，以改善所述线束在所述衬底上的聚焦。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，比较所述分布与理想分布的步骤早于所述改变所述镜片和所述衬底之间的距离的步骤，其中响应于所述比较实施所述改变所述镜片和所述衬底之间的距离的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述理想分布对应于聚焦条件。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述照射和确定步骤至少部分使用一组常用的镜片。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述激光辐射沿着所述一组常用的镜片内的所述慢轴均匀。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述照射的步骤包含以向前的方向将所述激光辐射通过所述常用的镜片传输至所述衬底；以及
所述确定沿着所述快轴的分布的步骤包含以相反方向将从所述衬底反射的部分所述激光辐射通过所述常用的镜片传输至光电探测器阵列并读出所述光电探测器的输出。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，从所述分布中发现所述镜片和所述衬底之间的所述距离是否是其中之一：(a)太大，(b)太小，(c)恰当的步骤早于所述改变所述镜片和所述衬底之间的所述距离的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述从所述分布中发现所述镜片和所述衬底之间的所述距离是否是其中之一：(a)太大，(b)太小，(c)恰当的步骤对应于所述分布和表示镜片与衬底之间距离的预定分布的对比，其分别为太大、太小和理想的。
14.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包含至少沿着所述快轴彼此相对平移所述镜片和所述衬底。
15.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包含在整个所述衬底上沿着所述快轴扫描所述线束。
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