CN101065694A - 用于均匀化基于激光二极管的单轴照明系统的单轴光导管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于处理半导体晶圆的装置，包括：设置在沿着慢轴延伸的多个平行的行上的半导体激光发射器阵列；多个单独的圆柱形透镜，其设置在激光发射器的行的各自其中之一之上，并用于沿着通常与慢轴垂直的快轴准直来自各自行的光；均匀化的光导管，其具有用于在第一端部接收由多个圆柱形透镜准直的光的输入面以及位于相对端的输出面，光导管包括一对在输入面和输出面之间延伸并且沿着慢轴的方向彼此分开的反射表面；以及扫描装置，其用于使得发射自均匀化光导管的光在与快轴平行的扫描方向上扫描晶圆。

Description

用于均匀化基于激光二极管的单轴照明系统的单轴光导管

本申请要求2004年11月12日递交的美国临时申请No.60/627,238的优先权。

技术领域

本发明一般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

在硅以及在硅晶圆或诸如用于显示的玻璃衬底的其它衬底上形成的其它半导体集成电路的制造中需要热处理。所要求的温度可在小于250℃的相对较低的温度到大于1000℃、1200℃或者甚至1400℃的范围中，并且可用于诸如掺杂注入退火、结晶化、氧化、氮化、硅化和化学汽相沉积以及其它的各种工艺中。

对于先进的集成电路所要求的非常窄的电路特征，非常需要减少在实现所要求热处理中的总体热预算。该热预算可以认为是在高温下获得所需处理温度所必要的全部时间。晶圆需要停留在最高温度下的该时间可以非常短。

快速热处理(RTP)使用可非常快速地打开和关闭的照射灯来仅仅加热晶圆而不加热腔室的剩余部分。使用非常短(大约20ns)的激光脉冲的脉冲调制激光退火在仅加热表面层而非下方晶圆时较为有效，因此允许非常短的升降速率。

由Jennings等人提交的基于2002年12月18日提交的申请号为No.10/325,497的美国专利申请的PCT/2003/00196966描述了近来以各种形式研发的方法，有时称为热流量激光退火或者动态表面退火(DSA)，该申请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烈的光束，其以细长的辐射线照射晶圆。然后，该线沿垂直于线束长尺寸的方向扫描整个晶圆表面。

发明内容

本发明提供了一种用于处理半导体晶圆的装置，包括：设置在沿着慢轴延伸的多个平行的行上的半导体激光发射器阵列；多个单独的圆柱形透镜，其设置在激光发射器的所述行的各自其中之一上，并用于沿着通常与所述慢轴垂直的快轴准直来自所述各自行的光；均匀化的光导管，其具有用于在第一端部接收由所述多个圆柱形透镜准直的光的输入面以及位于相对端的输出面，所述光导管包括一对在所述输入面和输出面之间延伸并且沿着所述慢轴的方向彼此分开的反射表面；以及扫描装置，其用于使得发射自所述均匀化光导管的光在与所述快轴平行的扫描方向上扫描所述晶圆。用于将从所述光导管的输出面导出的光在所述晶圆上聚焦为直线光的透镜，所述直线光沿着所述慢轴具有长边而沿着所述快轴具有较窄的尺寸，其中所述扫描装置将所述直线光沿着所述快轴扫描所述晶圆。光导管的反射壁彼此足够接近以便于跨慢轴产生多次反射。

附图说明

图1为在本发明中使用的热通量激光退火装置的正投影图；

图2和图3为图1的装置的光学元件从不同视角观察的正投影图；

图4为图1的装置的半导体激光阵列的一部分的端部平面图；

图5为用于图1的装置的均匀化光导管的正投影图；

图6为图5的光导管及其输入和输出面处的透镜组件的透视图；

图7为图6的光导管沿着快轴的俯视图；

图8为图6的光导管沿着慢轴的侧视图；

图9为图5的光导管的实施方式的正投影图，其中该光导管形成为具有沿光轴逐渐减少的横截面积的截断的楔形；

图10为图5的光导管的实施方式的正投影图，其中该光导管形成为具有沿光轴逐渐增加的横截面积的截断的楔形；

图11为在图10的光导管中多次反射的示意图，其中示出了在光导管输入处的分束透镜的效果。

具体实施方式

在图1中以示意性的正投影图示出了由Jennings等人提交的上述参考的申请中所描述的装置的一个实施方式。用于两维扫描的跨轨结构(gantrystructure)10包括一对固定的平行轨道12和14。两个平行的跨轨梁16和18以设定的距离分开固定并且支撑在固定的轨道12和14上，并且由未图示的电机和驱动机构控制以在辊轴承或球轴承上沿着固定轨道12和14滑动。光束源20以可滑动方式支撑在跨轨梁16和18上，并且可悬挂在由未图示的电机和驱动机构控制的跨轨梁16和18之下以沿着它们滑动。硅晶圆22或其它衬底静态支撑在跨轨结构10的下方。光束源20包括激光源和光学元件以产生向下定向的扇形光束24，该光束24以作为通常平行于固定轨道12和14延伸的线束26照射该晶圆22，其中其中该方向简称为慢方向。虽然在此未图示，但是跨轨结构还包括Z-轴台，其用于在通常与扇形束24平行的方向上移动激光源和光学元件，从而可控地改变光束源20与晶圆22之间的距离，并且因此控制线束26在晶圆22上的聚焦。线束26的示例性的尺寸包括1厘米的长度和66微米的宽度，并且具有220kw/cm2的示例性的功率密度。可选地，该光束源和相关光学元件可以固定，而将晶圆支撑在可在两维方向上扫描的台上。

在通常的操作中，跨轨梁16和18沿着固定轨道12和14设定在特定位置上，并且光束源20以匀速沿跨轨梁16和18移动以使得线束26在与其纵向垂直的通常称为快方向的方向上扫描。从而，线束26从晶圆22的一侧扫描到另一侧以照射晶圆22的1厘米的扫描带(swath)。线束26足够窄并且在快方向上的扫描速度足够快，从而仅仅将特定面积的晶圆暴露于线束26的光照射下但是线束的峰值的强度足够将表面区域加热到非常高的温度。然而，晶圆22的更深的部分并未显著加热并且进一步作为吸热部件(heat sink)以快速地冷却该表面区域。一旦该快速扫描完成，跨轨梁16和18沿固定轨道12和14移动新的位置，从而使得线束26沿着慢轴延伸的长尺寸方向上移动。随后，进行快速扫描以照射晶圆22的相邻扫描带。可以沿束源20的弯曲轨迹重复交替的快慢扫描直到整个晶圆22已经完成热处理。

光束源20包括激光器阵列。在图2和图3中以正投影图示了一个示例，其中其中在光学系统30中从两个激光条叠层(laser bar stack)32产生约810nm的激光辐射，其中在图4中示出了一个激光器条叠层的端面。各个激光器条叠层32包括横向延伸约1cm并且分开约0.9mm的14个平行的条34，其通常对应于GaAs半导体结构中的垂直的p-n结。通常，在条34之间设置有水冷层。在各个条34中形成有49个发射器36，各组成的独立GaAs激光器发射在正交方向具有不同发散角的独立光束。定位所示的条34，使得它们的长边在多个发射器36之上延伸并且沿着慢轴对准，而它们的短边对应于沿快轴对准的小于1微米的p-n耗尽层。沿着快轴的小的光源尺寸允许沿着快轴的有效的准直。沿着快轴的发散角较大而沿着慢轴的相对较小。

回到图2和图3，两列圆柱形微透镜(lenslets)40沿激光条34定位以沿快轴将激光准直在窄光束中。它们可以使用粘合剂粘结在激光器叠层32上并且与条34对准以在发射区域36上延伸。

光束源20还可包括传统的光学元件。这样的传统光学元件可包括交错复用器和偏振多路复用器，但是本领域的技术人员对于该元件的选择并不限于该示例。在图2和图3的示例中，来自两个条叠层32的两组光束输入给交错复用器42，其具有多光束分离器型的结构并且在两个内部对角面上具有例如，反射性的平行带的特定涂层，从而有选择地反射和透射光。这样的交错复用器可从Research Electro Optics(REO)购得。在交错复用器42中，对于来自两个条叠层32的各组光束，图案化的金属反射器带形成在成角的表面中，从而来自叠层32一侧上的条34的光束交替反射或透射，并且从而与来自叠层32另一侧上的条34的也进行相应的有选择的透射/反射的光束交错，从而填充来自分离的发射器36的另外间隔的照射轮廓。

第一组交错的光束透过四分之一波片48以旋转其相对于第二组交错光束的偏振。两组交错的光束输入到具有双偏振光束分离器结构的偏振多路复用器(PMUX)52。该PMUX可从Research Electro Optics购得。第一对角分界面54和第二对角分界面56造成两组交错光束沿着来自它们前面的公共轴反射。通常将第一分界面54作为设计为硬反射器(hardreflector)(HR)的电介质干涉滤波器来实施，而将第二分界面56作为设计为激光器波长的偏振光束分离器(PBS)的电介质干涉滤波器来实施。结果，反射自第一分界面层54的第一组交错光束照射第二分界面层56的背面。因为由四分之一波片48引入的偏振旋转，第一组交错光束透过第二分界面层56。由PMUX52输出的源光束58的强度为两组交错光束中任何一个的两倍。

虽然附图中分开示出，但是交错复用器42、四分之一波片48和PMUX52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常通过诸如UV可固化的环氧物塑料密封剂粘合在一起，以提供刚性光学系统。重要的分界面是微透镜40与激光器叠层32的塑料粘结面，在该面上它们必须与条34对准。源光束58透过一组圆柱形透镜62、64、66，以沿着慢轴聚焦该源光束58。

一维的光导管70沿着慢轴使得源光束均匀化。由圆柱形透镜62、64、66聚焦的源光束以沿着慢轴的有限的会聚角，而沿着快轴基本上准直地进入光导管70。如在图5的正投影图中更清晰地示出的，光导管70用作光束均化器以减小由条叠层32中在慢轴上间隔分离的多个发射器36引入的沿着慢轴的光束结构。光导管70可实现为具有足够高的折射率以产生全内反射的光学玻璃的矩形板。其沿着慢轴具有短边而沿着快轴具有长边。板72沿着源光束58的轴74延伸一段距离，该源光束沿着慢轴会聚到输入面76上。源光束58从板72的顶面和底面内部反射多次，从而消除了沿着慢轴的大量的纹理并且当光束在输出面78射出时，使得光束沿着慢轴均匀化。然而，源光束58已经沿着快轴(通过圆柱形微透镜40)良好地准直，并且板72足够宽，从而使得源光束58不会在板72的侧表面上内部反射而保持其沿着快轴的准直。光导管70可沿着其轴向逐渐变薄，以控制入射孔径和出射孔径以及光束的会聚和发散。可选地，该一维光导管可实现为通常对应于板72的上下表面并且源光束在两者之间通过的两个平行的反射表面。

由光导管70输出的源光束通常是均匀的。如图6的示意图进一步示出的，包括圆柱形透镜81和82的额外的变形透镜组或光学装置80放大了慢轴上的输出光束，并且通常还包括球面透镜83以将所需的线束26投射到晶圆22上。变形光学装置80在两维上对源光束进行整形以产生有限长度的窄的线束。在快轴方向上，输出光学装置对于光源而言具有在光导管的输出处的无穷共轭(虽然系统可设计为具有有限光源共轭)并且具有在晶圆22的像平面处的有限共轭，而在慢轴方向上，输出光学装置对于光源而言具有在光导管70的输出处的有限共轭并且具有像平面处的有限共轭。并且，在慢轴方向上，来自激光器条的多个激光二极管的非均匀的照射可通过光导管70均匀化。光导管70的均匀化能力严重依赖于光反射通过光导管70的次数。该次数由光导管70的长度、逐渐变薄的方向(如果有的话)、入射孔径和出射孔径的尺寸以及进入光导管70的发射角来确定。输出光学装置80将源光束聚焦为晶圆22表面上的所需尺寸的线束。

图7和图8分别为沿快轴和慢轴垂直设置的侧视图，其中示出了光导管70和一些相关光学装置。在快轴方向上，来自激光器条32的光束良好地准直并且不会受到光导管70或变形光学装置的影响。另一方面，在慢轴方向上，输入的变形光学装置62、64和66将光束聚集并会聚到光导管70的输入端。具有沿慢轴基本上均匀的强度但具有一定发散的该光束从光导管70射出。输出变形光学装置80沿慢轴放大并准直该输出光束。

上述光导管70具有沿着光轴74的均匀的矩形横截面。然而，具有沿着光轴74横截面逐渐变小的锥形轮廓可优选地与其它光学装置结合使用。具体地，锥形的光导管增加了在固定长度的光导管上发生反射的次数。如图9中正投影示出的电介质光导管90由具有沿着光轴74从输入面94到输出面96均匀减小的矩形横截面的光学玻璃的截断的楔形92形成。即，光导管90的高宽比连续增加，例如从5∶1到10∶1，从而产生例如至少为2的高宽比比率。具体地，沿着慢轴的尺寸减小而沿着快轴的尺寸保持恒定。窄的输出面96的优点在于其数值孔径(NA)较高，也即，输出光束的发散更大。

互补的结构是在图10中正投影示出的电介质光导管100，其由具有沿着光轴从输入面104到输出面106均匀增加的矩形横截面的光学玻璃的截断的楔形102形成，从而楔形102的高宽比连续减小，例如与前述实施方式完全相反的比率。具体地，沿着慢轴的尺寸增加而沿着快轴的尺寸保持恒定。该结构的优点在于宽的输出面106的NA较小并且输出光束的发散较小。优选放置在输入面的附近并沿着光导管100的长度横向方向延伸的圆柱形透镜108将稍微准直的输入光束112在输入面104处急剧聚焦为会聚光束。如图11的侧视截面图所示的，慢方向端部处的横向光束分量114在锥形光导管100的较小端部附近反射许多次并且逐渐接近于与光轴平行。结果，输出光束具有较小的NA和沿着慢轴相对较大的尺寸。

应该理解，电介质光导管70、90和100的横向侧壁并未真正参与光导管的作用，从而可获得在该导管的长的横向方向上不会获得反射或均匀化的单轴光导管。因此，并不要求这些横向壁平行，虽然这些平行的壁容易制造。

一维的光导管也可选择实现为通常对应于板72或楔形92和102的上下表面的两个平行或稍微倾斜的反射表面，并且源光束在两者之间通过。该反射表面可形成为自立的镜面或在透明部件上不会提供全内反射的涂层。也可不使用交错复用器42或偏振多路复用器52中任一个或两者均不使用而实施本发明。

虽然通过具体参照优选实施方式详细描述了本发明，但是应该理解在不偏离本发明的真正构思和范围的情况下，可做出其变形和修改。

Claims (20)

1.一种热处理系统，包括：

激光发射源，其发出激光波长的光并且包括多个形成在衬底上的激光二极管，并且从沿着第一轴设置的发射器区域沿着光轴发射；以及

单轴光导管，其具有沿着所述第一轴相对于所述光轴分离的反射壁，其中所述光轴在所述反射壁之间通过。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少一个变形透镜，其位于所述激光二极管的所述发射器区域上部，并且沿着所述第一轴延伸以基本上沿着与所述第一轴垂直的第二轴准直来自所述激光二极管的辐射。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光导管并不相对于所述第二轴反射所述辐射。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一轴为线束扫描装置的慢轴而所述第二轴为其快轴。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光导管形成为沿着所述第一轴逐渐减小的锥形。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光导管具有沿着来自所述光源的所述光轴逐渐增大的锥形。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光导管具有沿着来自所述光源的所述光轴逐渐减小的锥形。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括扫描装置，其用于在所述光轴和加工件之间产生沿着所述快轴的相对移动。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射壁以跨所述第一轴的足够短的距离彼此隔开，从而提供来自所述激光发射源的光在所述反射壁之间跨所述第一轴的多次反射。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括一对与所述反射壁联接的支撑壁，所述支撑壁以跨所述第二轴的足够大的距离彼此隔开，从而防止在所述支撑壁之间跨所述第二轴的反射。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括沿着所述第一轴轴向延伸并设置在各行所述发射器区域上的各个圆柱形透镜，其用于沿着所述第二轴准直来自所述激光源的光。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述光导管形成为具有沿着从所述光导管的输入面到输出面的所述光轴在所述反射表面之间的间隔逐渐增加的锥形。

13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述光导管形成为具有沿着从所述光导管的输入面到输出面的所述光轴在所述反射表面之间的间隔逐渐减小的锥形。

14.一种用于处理半导体晶圆的装置，包括：

半导体激光发射器阵列，其设置在沿着慢轴延伸的多个平行的行上；

多个单独的圆柱形透镜，其设置在激光发射器的所述行的单独其中之一上，并用于沿着通常与所述慢轴垂直的快轴准直来自所述各自行的光；

均匀化的光导管，其具有用于在第一端部接收由所述多个圆柱形透镜准直的光的输入面以及位于相对端的输出面，所述光导管包括一对在所述输入面和输出面之间延伸并且沿着所述慢轴的方向彼此分开的反射表面；以及

扫描装置，其用于使得发射自所述均匀化光导管的光在与所述快轴平行的扫描方向上扫描所述晶圆。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括光学装置，其用于将从所述光导管的输出面导出的光在所述晶圆上聚焦为直线光，所述直线光沿着所述慢轴具有长边而沿着所述快轴具有较窄的尺寸，其中所述扫描装置将所述直线光沿着所述快轴扫描所述晶圆。

16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述反射表面彼此足够接近以便于跨所述慢轴产生多次反射。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括一对与所述反射壁联接的支撑壁，所述支撑壁沿着所述快轴的方向以足够大的距离彼此隔开，以防止在所述支撑壁之间跨所述快轴的反射。

18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述反射表面限定为截断的楔形形状，所述装置还包括位于所述光导管的所述输入面的透镜，该透镜用于增加沿着所述慢轴的光束发散。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述截断的楔形形状具有沿着光传播的方向逐渐减小的横截面面积。

20.一种对加工件进行退火的方法，包括：

从设置在沿着慢轴延伸的多个平行的行上的半导体激光发射器阵列发射多个光束；

沿着通常与所述慢轴垂直的快轴，在各自圆柱形透镜中准直来自激光发射器的各自行的光束，其中各自圆柱形透镜设置在激光发射器的所述行的各自其中之一之上；

使得来自所述多个圆柱形透镜的光在光导管中的一对沿着所述慢轴方向彼此分开的反射表面之间跨所述慢轴进行多次反射，从而产生沿所述慢轴均匀化的光束；

将所述均匀化的光束在所述加工件上聚焦为直线光，所述直线光沿着所述慢轴具有较宽的尺寸而沿着所述快轴具有较窄的尺寸；以及

在整个所述加工件上沿与所述快轴平行的扫描方向上扫描所述直线光。

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