技术领域
[0001] 本
发明属于一种激光退火设备中的光学处理装置，特别是涉及该光学处理装置中调节环节的设计及具体实施方案。
背景技术
[0002] 在经济全球化、信息化的今天，IC产业无疑是影响国家经济、政治和国防安全的战略必争产业。目前，世界IC装备产业已成为IC产业的驱动
力和重要组成部分。在过去几十年中，集成
电路制造遵循莫尔定律，经历了飞速的增长。不过集成电路制造的等比例缩小，也带来了极小尺寸工艺技术方面的极大困难与挑战。
[0003] 在
纳米级CMOS器件中，超浅和低
电阻率的结对抑制短
沟道效应，获得更好的器件性能起着越来越重要的作用。由于
氧化增强扩散与瞬时增强扩散以及固溶度的限制，传统的快速热退火(RTA)已很难满足32nm及以下各技术
节点的要求。为了解决这个问题，目前正在大量研究一些新的退火技术来替代RTA，如：闪速灯光退火(Flash Lamp Annealing或FLA)、固相激光脉冲退火(Solid-PhaseLaser Spike Anneal ing或LSA)、液相激光脉冲退火(Liquid-Phase LaserThermal Process或LTP)，以及低温
固相外延(Solid-Phase EpitaxialRecrystallization或SPER)等。其中，激光退火技术已经显示出了很好的应用前景。
[0004] 由于激光脉冲退火设备终将替代RTA设备，成为今后32nm及以下各技术节点器件的超浅
PN结的生产用退火装备，研究激光脉冲退火设备和技术具有很强的实际应用前景。
[0005] 又因为激光退火设备中所用
光源一般为准分子
激光器或其他具有较高功率的激光器，而这种激光光源其光束
质量不符合要求，一般不能直接用于激光退火。例如准分子激光器的光斑一般为圆形，而且截面的
能量分布不均匀，边缘的锐利度也不够，所以在投射到待加工表面之前，必须通过一光学系统对其进行光束整形、匀化、边缘处理、投影等步骤。可见，激光退火设备中的光学系统对于整个退火系统具有关键作用，一个好的光学系统不仅可以提高激光退火的质量和
稳定性，同时还能增强退火设备的适用性和可调节能力。
发明内容
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于激光退火的光学处理装置，其特征在于包括：
[0007] 扩束系统，用于对来自一个光源的激光光束进行扩束；
[0008] 匀化系统，用于使所述扩束系统输出的光束能量均匀；
[0009] 边缘处理系统，用于得到所需的边缘锐利的光斑；
[0010] 投影系统，用于将匀化的光斑投射到加工面。
附图说明
[0011] 图1显示了根据本发明的一个
实施例的激光退火设备光学系统原理示意图。
[0012] 图2A-2D显示了根据本发明的一个实施例的球面透镜阵列示意图。
[0013] 图3A和3B显示了根据本发明的一个实施例的可变光阑示意图。
[0014] 图4是根据本发明的一个较佳实施例的光学系统示意图。
[0015] 图5是根据本发明的一个实施例的球面镜阵列
位置关系示意图。
[0016] 图6A-6D是第一可替换组件的另两种可选实施例的结构示意图。
[0017] 图7A和7B显示了本发明的实施例的计算机仿真结果示意图。
具体实施方式
[0018] 本发明的目的在于提出一种用于激光退火设备的光学处理装置，其中在传统的光学系统中加入可调节环节，使得退火设备中的激光光斑的形状、面积及能量
密度可调节，扩展了激光退火设备的适用场合，仅用一台设备就能有效地对不同形状和面积的材料进行退火，不仅使成本降低、操作简便，还有助于对退火工艺的探究。
[0019] 参阅图1，根据本发明的一个实施例的激光退火设备的光学处理装置包括紫外激光光源101以及对从光源发出的
激光束进行处理的后续光学系统。
[0020] 根据本发明的一个具体实施例，上述的紫外激光光源可以为准分子激光器，也可以是NdYAG(倍频到266nm)激光器。
[0021] 根据本发明的一个具体实施例，所述紫外激光光源发出的光束为
准直的或发散
角小于1°，具有较高
能量密度以满足激光退火的要求。
[0022] 根据本发明的一个实施例，所述后续光学系统可包括：
[0023] 扩束系统，匀化系统，边缘处理系统，投影系统。
[0024] 扩束系统包括透镜102、103。根据本发明的一个具体实施例，透镜102、103都是球面凸透镜，这样就成为一个倒置的开普勒望远镜系统；根据本发明的另一个具体实施例，透镜102为球面凹透镜，透镜103为球面凸透镜，这样就构成一个倒置的伽利略望远镜系统。图1中显示的是前一种情况。为了减小球差，优选使用平凸透镜，并对透镜的设置方向有一定要求。
[0025] 匀化系统包括部分104、105A、105B；部分104是球面透镜阵列，起到分割光束的作用；部分105A和105B是球面凸透镜，两者组成一个变焦系统，焦距在一定范围内连续可调。根据本发明的一个实施例的上述球面透镜阵列104的具体结构如图2，其中图2A为其主视图，图2B为其侧视图，球面透镜阵列的球面微元如图2A所示呈二维矩阵排列，每一球面微透镜的一面为正方形平面，另一面为球面；图2C和2D为其放大示意图，其中图2C为主视图，图2D为侧视图。
[0026] 边缘处理系统包括：可变光阑106，可变光阑106的形状和尺寸可以得到控制，通过调节装置可以调节光束截面X、Y两个方向的通光口径。根据本发明的一个具体实施例的可变光阑106的具体结构见图3A和3B，图3A为主视图，图3B为侧视图，标号301为调节机构，302为窗口，303为立柱，304为有效通光口径，305为刻度尺，306为刀口。可以通过调节机构301调节刀口306的位置，进而改变有效通光口径304。
[0027] 投影系统包括球面凸透镜107A、球面凹透镜107B、球面凸透镜107C、圆形平板107D，它们共同组成了一个成像系统，并具有预定的放大倍率。为了使该成像系统的像差极小，通过应用像差理论和相应的光学设计
软件设计该成像系统，可以设计出各种不同参数的成像系统(其具体设计过程是已经成熟的方法)，从而将可变光阑通光口的匀化面无畸变地成像到所需的加工面108，保持光束截面能量的均匀和边缘的锐利。为了使得最终用于加工的光束截面大小分档可调，通过设计多套不同放大倍率的上述成像投影系统，并通过替换它们，即可使得光束截面大小分档可调。
[0028] 图1中所示的经过投影系统投影后的成像面108，也即是待加工表面。该表面上的光斑性质满足激光退火的要求。激光器光源发出的光束经过上述扩束、匀化、边缘处理、投影这四个系统的光学处理之后，到达加工面108时已经满足了激光退火对光斑均匀性、边缘锐利度等的要求。
[0029] 如图1的实施例所示，本发明所述的光学系统中，从光源101发出的激光经过扩束系统的扩束，进入匀化系统。匀化系统中的球面透镜阵列104对入射光束进行分割，各分割后的子光束经过上述的变焦系统105A、105B重新会聚
叠加于可变光阑106的有效通光口径304平面，该平面的光束能量均匀。该平面经过后续的投影系统投影成像到成像面同时也是待加工表面108。
[0030] 图4显示了本发明的一个较佳实施例。
[0031] 参阅图4，该激光退火装置所用激光光源401为紫外激光器，该激光器可以为准分子激光器，也可以是NdYAG(倍频到266nm)激光器，同时要求该激光器发出的激光束为准直(发散角小于1°)的，且具有较高的能量密度以满足退火对能量的要求。
[0032] 由于现有的紫外激光器输出光束在截面上能量分布不均匀，光斑形状、大小、边缘性质也都不符合激光退火的需要，所以需要一个专
门的光学系统对其进行改良。
[0033] 以上所述的光学系统包括扩束系统，匀化系统，边缘处理系统，投影系统。参阅图4，上述光学系统中，扩束系统包括球面凸透镜402、403。匀化系统包括两部分，一是分割光束的组件，包括参数完全相同的两个球面透镜阵列404A和404B；另一是图中所示的第一可替换组件，它包括两个球面凸透镜405A和405B。前述的边缘处理系统包括可变光阑406，其结构如图3。投影系统包括两部分，一是转折光路的组件，即平面反射镜407；另一是图中所示的第二可替换组件，它包括球面凸透镜408A和408C，球面凹透镜408B，和平板透镜
408D；整个第二可替换组件其实就是一个成像系统。
[0034] 图4中除了虚线框中的两个可替换组件外，其余元件都设计为一体式的，即位于共同的机械
基座中，一旦装配完成，相互之间的位置关系也即固定，无法更改。两个可替换组件通过一定的机械结构与基座配合，且可替换组件与外部基座的
接口为标准化的，以便于安装调节、实现本发明所述功能。
[0035] 上述的扩束系统直接置于光源401之后，两者间距不限制。根据本发明的一个具体实施例，扩束系统包括两球面凸透镜402、403，两者形成一个倒置的开普勒望远镜系统：透镜402和403的焦点位置重合。为了减少球差，将球面透镜设计成平凸的，同时对它们的布置方向有一定要求，布置方向如图4所示。根据本发明的另一个具体实施例，透镜402和
403也可以设计成一个倒置的伽利略望远镜系统，即透镜402、403也可以分别是球面凹透镜和球面凸透镜。
[0036] 透镜402和403的口径和焦距应根据光源的口径和匀化系统中球面透镜阵列404A的口径进行设计，要使得扩束后的光斑能
覆盖404A的整个通光口径，以充分发挥球面透镜阵列404A和404B的匀化作用。但同时也要考虑到能量利用效率，扩束系统的放大倍率也不宜过大。
[0037] 准直光束通过402聚集于透镜402和403的共焦位置，后又通过透镜403获得口径扩大的准直光束。在扩束系统之后是匀化系统，但对两者间距不限制。
[0038] 上述的匀化系统中，球面透镜阵列404A和404B为同样参数规格的球面透镜阵列，其示意图参见图2；为了提高匀化效果，该较佳实施例前后布置了两个相同的球面透镜阵列，且对两者间距有一定要求，参阅图5所示。同时匀化系统中的透镜405A、405B为球面凸透镜，两者构成第一可替换组件，同时它们也是一个变焦环节，通过调节透镜405A和405B的相互位置关系，可以改变整个第一可替换组件的焦距。以上所述的透镜405A和405B置于第一可替换组件中，两者连同各自镜架位于类似
丝杠的机构上，因此两者的相对位置可以任意调节，以实现连续调焦的功能，同时使该第一可替换组件的焦平面与可变光阑406(其结构示意见图3)的有效通光口径304平面重合。
[0039] 准直光束通过上述的球面透镜阵列404A、404B进行光束分割后，产生一定偏折角度范围内各个方向的平行光。产生的各组平行光经过第一可替换组件中的球面凸透镜405A、405B会聚于其焦平面的各个点，各分割的光束得以重叠，使得在上述焦平面的能量均匀分布。
[0040] 在上述第一可替换组件的调节过程中，焦平面处的光斑保持为正方形，即X、Y两维方向上的尺寸同时改变。在实用中，可以把第一可替换组件设计为多套，其中的透镜也可以为柱面透镜组合，参阅图6所示：其中601、602、603、604、605、606都为柱面凸透镜。6-1A和6-1B是不调焦的情况，且它们分别是该情况下的侧视图和俯视图；6-2A和6-2B是可调焦的情况，且它们分别是该情况下的侧视图和俯视图。这样，通过选择不同的第一可替换组件，焦平面的均匀光斑也可以是矩形的，并且在X、Y两维方向上分别可调。
[0041] 上述的边缘处理系统中包括一可变光阑406，其有效通光口径平面位于前述第一可替换组件的焦平面处，其结构示意图参阅图3：可以通过调节装置301从X、Y两个维度改变刀口306的位置，从而改变有效通光口径304的尺寸，使得其与匀化系统得到的光斑尺寸相适应，同时刀口306起到边缘处理的作用，得到所需的边缘锐利的光斑。
[0042] 由于上述第一可替换组件中透镜位置的调节和可变光阑尺寸的调节应相互适配，所以使用计算机统一控制整个连续调焦过程。
[0043] 边缘处理系统后紧接着是投影系统。投影系统中一个呈45°倾角布置的平面全反射镜407起到转折光路的作用。此种光路的设计使布局更为紧凑和科学，也可以更好地使光学系统与激光退火设备其他系统的配合。
[0044] 光路经过平面反射镜407的90°转折后进入投影系统中的第二可替换组件。整个投影系统的作用是使可变光阑406中有效通光口径304处得到的均匀光斑投射到待加工表面409，所以要求投影系统尽量保持前面系统得到光斑的良好性质。
[0045] 实际上，投影系统中的第二可替换组件设计成一成像系统，它使有效通光口径304处的物在待加工表面409处成实像。为了保持光斑的性质，设计成的第二可替换组件具有较小的像差。该第二可替换组件由多个球面透镜组成，设计时综合考虑了口径、放大倍率、工作距、像差、透镜数量等因素，得到满足设计要求且各方面性能相对均衡设计方案。最后，平行平板408D起到隔离和保护的作用。
[0046] 上述第二可替换组件设计为多套，分别对应各个不同的放大倍率，且每套组件都与外部基座都通过标准化接口连接，方便替换。图4中所示的第二可替换组件仅是其中一套可行的方案。为了简便性和稳定性，每套组件内部各透镜位置一旦固定，则无法调节。通过替换该组件，可以使得最终加工用的光斑尺寸分档可调。
[0047] 激光光源发出的不均匀激光束，通光整个光学系统到达待加工表面时，性质得到了极大的改善，图7所示即为其计算机仿真效果。
[0048] 综上，通过替换第一可替换组件和第二可替换组件，以及调节第一可替换组件中透镜的相对位置关系和可调光阑的通光口径，可以使得激光退火时光斑的形状和尺寸在一个较大的范围内可调，极大地提高退火效率，更便于对退火工艺、规律的研究。
