[发明专利]激光退火装置及其退火方法

说明书

本发明提供一种激光退火装置及其退火方法，包括载片台、主要由预热激光光源系统和退火光学系统组成的激光光源系统、激光调节系统、测量系统、载片台移动系统以及中央控制系统，能够实现入射光束到待退火工件表面的入射角度在一定范围内可调以及光斑位置的移动，并通过载片台移动系统的调节来补偿激光调节系统的调节，使得待退火工件的退火面必须始终保持在入射光束的公共焦面内，确保退火能量的一致性；通过测量系统的测量结果能够通过中央控制系统的控制而反馈到载片台移动系统或激光调节系统的调节中，使退火过程工作在最佳的状态；此外，在载片台上设置工件保护环，既可以有效保护载片台免受退火激光光束损坏，又可以获得最大退火面积。

技术领域

本发明涉及激光退火领域，尤其涉及一种激光退火装置及其退火方法。

背景技术

在摩尔定律的推动下，芯片制造业在过去的数十年中经历了快速发展。这种持续的快速发展源自于芯片尺寸的持续缩小。与之相应地，这种更小的尺寸对芯片的加工制造工艺提出了越来越高的困难和挑战。传统的硅片快速热退火方式已经很难满足14nm及更高节点的要求。新的退火技术替代正在被大量研究。

近年来由于激光应用技术的发展，激光退火技术已显示出良好的应用前景。激光退火相对传统退火，其热预算小，激活效率高，可以很大程度减小热扩散，并降低热应变。

当硅片经过光刻工艺之后，如TSV(through silicon via，穿透硅通孔)光刻工艺之后，硅片表面的不同位置处会形成不同的nm级几何结构以及材料属性，导致硅片表面的不同位置处对入射激光能量的吸收不一致，从而导致激光退火后硅片表面的温度分布均匀性变差，即所谓的图案效应。

图1所示为现有技术中经过特定光刻工艺处理之后的硅片表面的结构示意图，图1中的圆形的带有点状图案的部分表示硅片1’，长方形的带有栅形图案的部分表示裸芯片11’，从图1中可以看到，硅片1’表面形成有一系列黑色的方框所示的裸芯片11’。而对于形成的裸芯片，在表面上具有nm级空间尺度的一系列特定的周期性结构以及沿硅片1’内部深度方向具有不同的材料成分，如图2所示，图2中最上方的虚实折线表示硅片表面处裸芯片的周期性结构空间分布，所述周期性结构沿硅片内部深度方向上具有A、B、C、D四种不同的材料成分属性，其中，A表示全硅(Si)材料，B表示硅材料上面生长由多晶硅(P-Si)，C表示硅材料的上面生长有二氧化硅(SiO₂)，其上面又覆盖有多晶硅(P-Si)，D表示硅材料的上面生长有二氧化硅(SiO₂)。因此，硅片上表面对于入射光的反射率R(x,y)随着位置的不同而不同，即硅片上表面对于入射光的反射率R(x,y)是位置的函数。

根据电磁波理论，对于特定的材料表面，其反射率R(λ,θ)是入射光的波长λ以及入射角θ的函数。请参考图3A，对于特定波长的入射激光12’，以不同的入射角θ(即入射激光1’2与垂直于硅片1’表面的法线13’之间的夹角)入射时，硅片1’表面的反射率R_λ(θ)随着入射角θ的变化而变化。图3B和图3C分别给出了800nm和500nm两种波长的激光入射到图2所示的A\B\C\D四种材料结构上面的反射率随着入射角的变化曲线图。可以发现，对于同一波长λ的入射光，其反射率R_λ(θ)随着入射角θ的变化而变化，同时对于相同的入射角θ，其反射率R_θ(λ)也会随着入射光波长λ的不同而不同。所以在退火过程中需要根据工艺条件优化所需的最佳入射角度，这就需要退火设备可以实现入射光入射到硅片表面的角度在一定范围内可调，同时还需要在找到最佳入射角度后，退火光斑可以在硅片表面上移动扫描。而且随着激光退火领域技术发展，对产品的产率要求越来越高，就要求退火光斑在步进方向的尺寸越来越大，达到10mm以上。