激光光束整形装置及整形方法、激光尖峰退火方法

本发明涉及半导体，特别涉及激光光束整形装置及整形方法、激光尖峰退火方法。

背景技术：

1、随着集成电路技术的不断发展，半导体器件尺寸不断趋于小型化，小尺寸硅化物的形成成为晶圆制造中的新挑战。退火工艺是晶圆制造的重要步骤，能够激活掺杂原子和修复离子注入引起的损伤。半导体器件尺寸节点进入22nm后，传统的快速热退火（rapidthermal anneal，rta）的表现越来越乏力，新型的热处理方法是激光尖峰退火（laserspike annealing, lsa），该方法可以在毫秒以内的时间将晶圆加热到1100℃-1350℃（略低于硅的熔点），与rta相比能有效减少掺杂原子的扩散以及改善结泄漏。

2、在激光尖峰退火中，使用长波高功率co2激光器产生激光束，将p偏振光通过布鲁斯特角照射到晶圆表面。长波激光、p偏振光和布鲁斯特角被证明可以大大减少因薄膜干涉引起的图案效应，可以实现对不同掺杂浓度、配比的芯片结构较为平坦的吸收。为了去除晶格缺陷，获得具有完美电学特性的硅片，应控制温度以避免激光退火过程中过热，并保证温度均匀性，这对激光稳定性提出了较为严格的要求。

3、在激光尖峰退火时需要对co2激光光束进行整形，以使整形co2激光光束能够产生线形光斑，目前激光光束整形一般使用孔径光阑、非球面透、微透镜阵列等整形器件。激光光束产生的光斑为高斯分布，高斯光束呈现中心能量高边缘弱的特点，中心部分相对均匀，因此可以采用孔径光阑拦截的方法将边缘部分滤掉，得到相对均匀的光斑，但此方法能量损失严重且存在较强的衍射效应，并未得到实际工程应用。另外，还可以采用两片非球面透镜搭建的非球面整形系统来实现高斯光束的平顶化，其中第一片非球面引入波像差使高斯光束能量重新分布，第二片非球面补偿第一片产生的波像差并对出射光束进行准直。非球面整形系统最佳光束均匀性和边缘陡度存在最佳整形位置，入射光束直径和发散角的变化会引起最佳整形位置的变化，因此该方法的设计过程复杂，且对最佳整形位置的要求较高，不同功率输出光的光斑尺寸的变化会使得同一位置的光束均匀性和边缘陡度产生变化。此外，还可以利用衍射光学元件(diffractive optical element, doe)实现激光光束的整形。衍射光学元件是多学科交叉的产物，利用计算机辅助设计(cad)，doe 的输入输出关系是以光的衍射为基础，但是位相的求解是通过算法实现的，其设计过程十分复杂。微透镜阵列也被广泛的应用到光束整形系统中，表征微透镜阵列的特征参数有阵列大小、厚度、间距、微透镜的曲率半径以及扩散角，其结构复杂，且造价较高。

技术实现思路

1、针对现有技术问题，本发明提出一种激光光束整形装置及整形方法、激光尖峰退火方法。

2、作为本发明的第一个方面，提供了一种激光光束整形装置，包括：

3、锥透镜，包括柱状部和圆锥部，所述圆锥部被构造成由与所述柱状部相连接的一端向另一端渐缩设置，来自外部的激光光束自所述柱状部入射并自所述圆锥部出射，所述锥透镜适用于将所述激光光束转变为环形光束，所述环形光束的截面呈环形分布，所述激光光束为准直高斯光束，所述激光光束的入射方向为垂直于所述柱状部底面的方向；

4、柱面镜，适用于沿着第一方向对所述环形光束进行聚焦，以使所述环形光束转换为线形光束，所述线形光束的截面为呈线形分布；

5、光阑，位于所述柱面镜与柱面镜的焦面之间，适用于对所述线形光束进行滤光，得到滤光后的线形光束；所述光阑的孔径中心被配置为与所述线形光束的截面的中心共线，以所述线形光束的截面的中心作为中点，所述光阑的孔径被配置为允许所述线形光束中距离所述中点截面预设距离的光通过；滤光后的线形光束即为整形后的激光光束，所述滤光后的线形光束适用于在所述柱面镜的焦面上形成目标线形光斑。

6、根据本发明的实施例，所述线形光束在所述光阑所在的平面上得到初始线形光斑，所述初始线形光斑沿着第二方向的光强波动小于±5%，所述第二方向为所述初始线形光斑的长度方向，所述初始线形光斑沿着所述第二方向的能量稳定性≥90%。

7、根据本发明的实施例，在所述线形光束形成的光斑中，长度和宽度之比范围为（50:1）~（500：1）。

8、作为本发明的第二个方面，提供了一种激光光束整形方法，利用如上所述的激光光束整形装置实现，所述激光光束整形方法包括：

9、利用锥透镜将来自外部的激光光束转变为环形光束，所述环形光束的截面为环形光束的截面呈环形分布，所述激光光束为准直高斯光束；

10、利用柱面镜沿着第一方向对所述环形光束进行聚焦，以使所述环形光束转换为线形光束，所述线形光束的截面呈线形分布；

11、利用光阑对所述线形光束进行滤光，得到滤光后的线形光束；其中，所述光阑的孔径中心被配置为与所述线形光束的截面的中心共线，以所述线形光束的截面的中心作为中点，所述光阑的孔径大小被配置为允许所述线形光束中距离所述截面中点预设距离的光通过；

12、所述滤光后的线形光束即为整形后的激光光束，所述滤光后的线形光束适用于在所述柱面镜的焦面上形成目标线形光斑。

13、根据本发明的实施例，所述锥透镜的底角、所述激光光束的半径与所述环形光束形成的光斑的宽度的关系表示如下：

14、

15、

16、其中，n表示所述锥透镜的折射率，表示所述激光光束经过所述锥透镜后的偏折角。

17、根据本发明的实施例，所述环形光束在距离所述圆锥部顶点距离为z的目标平面处形成的环形光斑的光场分布满足如下关系，其中，所述目标平面垂直于所述激光光束的传播方向，

18、

19、

20、

21、其中，表示零阶贝塞尔函数，k是激光光束的波矢，h表示所述柱状部的底面半径，为所述激光光束的波长，表示所述锥透镜的任一点与所述光轴的距离，表示位于所述目标平面的环形光斑上的任一点与所述光轴的距离。

22、根据本发明的实施例，所述光阑的孔径确定方式包括：

23、根据所述环形光束在目标平面上形成的环形光斑的光场分布得到所述线形光斑的沿着第二方向的光强波动小于±5%，以及沿着所述第二方向的能量稳定性≥90%的目标区域；

24、根据所述目标区域确定所述光阑的孔径。

25、根据本发明的实施例，根据所述环形光束在目标平面上形成的环形光斑的光场分布得到所述线形光斑的沿着第二方向的光强波动小于±5%，以及沿着所述第二方向的能量稳定性≥90%的目标区域包括：

26、根据所述环形光束在目标平面上形成的环形光斑的光场分布得到所述环形光斑上的光强最大值；

27、根据所述光强最大值和环形光斑的宽度对所述环形光斑的光场分布进行简化；

28、根据简化后的环形光斑的光场分布得到所述目标区域。

29、作为本发明的第三方面，还提供了一种激光尖峰退火方法，包括：

30、在待退火晶圆表面形成利用如上所述的激光光束整形方法得到的目标线形光斑；

31、将所述目标线形光斑在所述待退火晶圆表面扫描，以将所述待测晶圆表面上被扫描到的位置加热到退火温度；

32、在所述待退火晶圆的所有区域均加热到退火温度后，完成激光尖峰退火。

33、根据本发明的实施例，所述目标线形光斑在所述待处理晶圆上的移动速度为；

34、所述目标线形光斑在所述待处理晶圆上的扫描的时间表示如下：

35、

36、其中，w，为所述目标线形光斑的宽度，为目标线形光斑的扫描速度。

37、根据本发明的实施例，通过锥透镜准直高斯光束整形为环形光束，实现光场匀化的作用，再通过柱面镜对锥透镜出射的光束整形为线形光束，并最终通过光阑的滤光实现目标线形光斑长度方向达到＞90%的能量均匀性。