專利名稱：通過優(yōu)化電磁能的吸收加熱半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種均勻和有效地加熱半導(dǎo)體晶片的設(shè)備和方法。如本發(fā)明被處理的晶片被至少部分地通過光能加熱。本發(fā)明涉及優(yōu)化入射角、偏振面和加熱輻射的波長，以增加晶片的吸收率并減少晶片表面的光學(xué)性質(zhì)的偏差作用。
更具體地說，本發(fā)明涉及在熱處理室中放置燈以加熱物體，例如半導(dǎo)體晶片。燈被設(shè)計(jì)以使由燈發(fā)射的光能以優(yōu)化晶片吸收的入射角接觸晶片。替代地，或者除了優(yōu)化入射角之外，由燈發(fā)射的光能也可以被設(shè)計(jì)以使光能在也優(yōu)化吸收的偏振面內(nèi)接觸晶片。最后，本發(fā)明也涉及使用多個(gè)波長的光接觸晶片以使至少某些波長被晶片有效地吸收。
背景技術(shù)：
本文所用的熱處理室指一種加熱例如半導(dǎo)體晶片之類的物體的設(shè)備。該設(shè)備通常包括用以保持半導(dǎo)體晶片的襯底座和例如多個(gè)燈之類的發(fā)射用以加熱晶片的熱能的能源。在熱處理過程中，半導(dǎo)體晶片被在受控條件下按照預(yù)置溫度狀況加熱。為了監(jiān)測熱處理過程中半導(dǎo)體晶片的溫度，熱處理室通常也包括溫度傳感器，例如高溫計(jì)，該溫度傳感器檢測選定波段的由半導(dǎo)體晶片所發(fā)出的輻射。通過檢測由晶片所發(fā)出的熱輻射，可以在合理精度的情況下計(jì)算晶片的溫度。
在另一實(shí)施方式中，取代或除了使用輻射傳感器，熱處理室也可以包括用以監(jiān)測晶片溫度的熱電偶。熱電偶通過直接接觸測量物體的溫度。
許多半導(dǎo)體加熱方法要求晶片被加熱至高溫，因此當(dāng)晶片被制成器件時(shí)可以發(fā)生多種化學(xué)和物理反應(yīng)。在作為一種處理類型的快速熱處理過程中，半導(dǎo)體晶片在通常小于幾分鐘的時(shí)間內(nèi)通常被一個(gè)光陣列加熱至例如約400℃至約1,200℃范圍內(nèi)的溫度。在這些方法中，一個(gè)主要目標(biāo)是盡可能均勻地加熱晶片。
但是，在過去已經(jīng)在能夠在整個(gè)晶片保持恒溫和在能夠控制晶片被加熱的速度方面遇到問題。如果晶片被不均勻地加熱，可能在晶片中產(chǎn)生各種有害的應(yīng)力。不能均勻地加熱晶片也限制在晶片上均勻沉積薄膜、均勻地退火晶片上的薄膜的能力，并且限制在晶片上執(zhí)行各種其它化學(xué)和物理方法的能力。
過去經(jīng)歷的一些問題與半導(dǎo)體晶片經(jīng)常涂有影響表面的反射率和吸收率的材料薄膜的事實(shí)有關(guān)。舉例說來，在不同晶片之間可能有偏差，并且由于在半導(dǎo)體器件制造程序過程中被產(chǎn)生在晶片上的圖案，在單個(gè)晶片內(nèi)也可能存在偏差。當(dāng)通過電磁輻射照射晶片時(shí)，這些光學(xué)性質(zhì)的偏差導(dǎo)致晶片吸收能量的能力的偏差和由此導(dǎo)致的所達(dá)到溫度的偏差。這可以降低熱處理的可重復(fù)性，并且也可以降低沿任何給定晶片的均勻性。例如，具有涂有不同材料的不同區(qū)域的晶片將在這些區(qū)域中具有不同的能量吸收特性。
因此，目前存在一種能夠更有效地加熱半導(dǎo)體晶片并能夠均勻地加熱半導(dǎo)體晶片的改進(jìn)的熱處理室和方法的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通常涉及多種加熱半導(dǎo)體晶片的方法。具體說來，本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)發(fā)射光能至晶片上的光源以優(yōu)化晶片的能量吸收。通過改變光能接觸晶片的入射角、利用多個(gè)波長的光、和設(shè)計(jì)光能使其以特定偏振狀態(tài)接觸晶片，實(shí)施本發(fā)明。
舉例說來，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，該方法包括在處理室中放置半導(dǎo)體晶片的步驟。光能被導(dǎo)向晶片以加熱晶片。光能以大于0°的入射角接觸晶片。具體說來，入射角大于10°，而更具體地說是從大約40°至約85°。
該方法還包括在光能接觸半導(dǎo)體晶片之前偏振光能的步驟。具體說來，光能被偏振以使光能以被偏振狀態(tài)接觸半導(dǎo)體晶片?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)钠裨O(shè)備偏振光。例如在一種實(shí)施方式中，可以使用產(chǎn)生第一p偏振光能束和第二p偏振光能束的一種光束分離設(shè)備。然后第一和第二p偏振光能束被導(dǎo)向半導(dǎo)體晶片。在本發(fā)明的另一替代實(shí)施方式中，光能被利用一種線柵偏振設(shè)備偏振。
如本發(fā)明所使用的光能可以從激光器或從非相干光源發(fā)射。當(dāng)使用非相干光源，例如弧光燈或鎢鹵燈時(shí)，光可以在被偏振之前被校準(zhǔn)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，該方法包括在處理室中放置半導(dǎo)體晶片和將激光束從至少第一激光器與第二激光器導(dǎo)向半導(dǎo)體晶片的步驟。第一激光器發(fā)射第一波長范圍的光，而第二激光器發(fā)射第二波長范圍的光。為了更均勻和有效地加熱晶片，第一波長范圍不同于第二波長范圍。
除了使用不同波長范圍的激光束之外，激光束可以不同的入射角接觸晶片。具體說來，各光束應(yīng)該以大于10°的入射角，特別是以從約40°至約85°的入射角接觸半導(dǎo)體晶片。當(dāng)使用激光束加熱半導(dǎo)體晶片時(shí)，激光束可以被設(shè)計(jì)為以特定狀態(tài)，例如p偏振狀態(tài)沖擊晶片。
在本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
中，該實(shí)施方式尤其非常適合于實(shí)施離子注入退火方法，本發(fā)明的方法包括在熱處理室中放置半導(dǎo)體晶片。然后脈沖激光束被導(dǎo)向半導(dǎo)體晶片。該脈沖激光束被設(shè)計(jì)以至少10°的入射角和例如p偏振狀態(tài)的特定狀態(tài)沖擊晶片。
如本發(fā)明設(shè)計(jì)的光能源可以單獨(dú)被用于加熱晶片或者可以連同其它能源被使用。舉例說來，本發(fā)明的光能源可以連同其它光能源和/或連同基座板(susceptor plate)被使用。
下文更詳細(xì)的說明本發(fā)明的其它特征和方面。


在本說明書的其余部分，向本領(lǐng)域的技術(shù)人員參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明的全面和可實(shí)現(xiàn)的公開內(nèi)容，包括它的最佳實(shí)施方式，其中圖1是可以如本發(fā)明被使用的熱處理室的一種實(shí)施方式的剖視圖。
圖2的平面視圖表示如本發(fā)明的被定位在半導(dǎo)體晶片之上并與晶片具有大于0°的入射角的多個(gè)燈。
圖3的指示圖說明本申請書中所用的幾個(gè)術(shù)語。
圖4的圖表表示具有二氧化硅底涂層和多晶硅表面涂層的半導(dǎo)體晶片的光譜吸收率。表示45°的入射角的p偏振輻射、s偏振輻射和未偏振輻射的曲線。
圖5的圖表表示與圖4相同結(jié)構(gòu)的光譜吸收率。但是，在本圖中，曲線是表示不同入射角的p偏振輻射。
圖6的側(cè)視圖表示以大于0°的入射角發(fā)射激光束至半導(dǎo)體晶片上的激光器。
圖7(a)的側(cè)視圖表示以不同入射角發(fā)射激光束至半導(dǎo)體晶片上的兩個(gè)不同激光器。
圖7(b)的側(cè)視圖表示被分為以兩不同入射角接觸半導(dǎo)體晶片的兩個(gè)不同光束的激光束。
圖8的側(cè)視圖表示非相干光源，其中有該光源發(fā)出的光被校準(zhǔn)并且隨后被偏振以大于0°的入射角接觸晶片。
圖9是圖8所示的方法的替代實(shí)施方式，其中偏振設(shè)備將光分為兩個(gè)不同p偏振輻射光束。
在本說明書和附圖中重復(fù)使用標(biāo)號是意圖代表本發(fā)明的相同或類似特征或元件。
具體實(shí)施例方式
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解本論述僅是實(shí)施例的說明，而不是意圖限制本發(fā)明的更廣泛的方面，該更廣泛的方面在實(shí)施例中被具體化。
作為集成電路制造方法的一部分，熱處理設(shè)備使用例如強(qiáng)光之類的熱能加熱半導(dǎo)體晶片。暴露至光能導(dǎo)致半導(dǎo)體晶片的溫度快速上升并允許處理時(shí)間相對短。在快速熱處理系統(tǒng)中，重要的是以非常均勻和可控的方式利用非常高強(qiáng)度的光輻射晶片。如上所述，使用目前設(shè)備的困難在于很難達(dá)到對于輻射光的強(qiáng)度和均勻加熱晶片的能力的要求。
舉例說來，半導(dǎo)體晶片經(jīng)常涂有影響表面的反射率和吸收率的材料。這些包含在晶片上的涂層可以導(dǎo)致加熱晶片的低效率并且也可以導(dǎo)致晶片內(nèi)的溫度偏差。例如，具有涂有不同材料的區(qū)域的晶片將在這些區(qū)域中具有不同的能量吸收特性。
參照圖3，所示簡圖說明本申請書所用的一些定義和術(shù)語。如圖所示，入射角θ為晶片表面法線與加熱輻射的傳播方向之間的角。入射面是包含晶片表面的法線和晶片表面上的能量入射線的平面。p偏振面是入射輻射的電場矢量位于入射面中的偏振狀態(tài)。該狀態(tài)也稱為橫向磁(TM)偏振。與p偏振狀態(tài)呈直角的偏振，其中電場矢量垂直于入射面，被稱為s偏振狀態(tài)或橫向電(TE)偏振狀態(tài)。
可以如本發(fā)明被使用的燈可以根據(jù)具體應(yīng)用改變。例如，在一種實(shí)施方式中，可以使用激光器。激光器發(fā)射非常窄波長范圍內(nèi)的光。除了激光器，也可以在本發(fā)明的系統(tǒng)中使用多種非相干光源。與激光器相反，非相干光源發(fā)射寬波長范圍內(nèi)的光。本發(fā)明可以使用的非相干光源包括弧光燈、鎢鹵燈等。
如本發(fā)明設(shè)計(jì)的燈可以單獨(dú)被用于加熱晶片或者可以連同其它熱能源被使用。舉例說來，本發(fā)明的燈可以連同通過電阻加熱晶片的基座或熱板被使用。在另一實(shí)施方式中，如本發(fā)明所設(shè)計(jì)的燈可以連同其它未被特殊設(shè)計(jì)的燈被使用。
參照圖1，表示通常如本發(fā)明所制成的系統(tǒng)10的一種實(shí)施方式。在本實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括多個(gè)如本發(fā)明所設(shè)計(jì)的燈40和如傳統(tǒng)技術(shù)那樣被放置在半導(dǎo)體晶片14上方的多個(gè)其它燈24。
如圖所示，系統(tǒng)10包括用于接收例如晶片14之類的襯底的處理室12以執(zhí)行各種方法。晶片14可以由半導(dǎo)體材料，例如硅制成。如圖所示，晶片14被定位于由例如石英之類的熱絕緣材料制成的襯底座15之上。處理室12被設(shè)計(jì)為以非?？斓乃俣炔⑶以诒蛔屑?xì)控制條件下加熱晶片14。處理室12可以由多種材料制成，包括金屬和陶瓷。例如，處理室12可以由不銹鋼制成或可以是由例如石英制成的冷壁室。
當(dāng)處理室12由導(dǎo)熱材料制成時(shí)，優(yōu)選地該室包括冷卻系統(tǒng)。例如，如圖1所示，處理室12包括被環(huán)繞室周邊的冷卻管16。冷卻管16被用于循環(huán)例如水之類的冷卻液，這被用于以恒溫保持室12的壁。
處理室12也可以包括進(jìn)氣口18和出氣口20以將氣體引入室中和/或保持處理室在預(yù)定氣壓范圍內(nèi)。例如，氣體可以通過進(jìn)氣口18被導(dǎo)入處理室12以與晶片14反應(yīng)。一旦被處理，就可以利用出氣口20將氣體從處理室中排出。
此外，可以通過進(jìn)氣口18將惰性氣體供給處理室12以防止在室中發(fā)生任何有害或不需要的副反應(yīng)。在另一實(shí)施方式中，進(jìn)氣口18和出氣口20可以被用于增壓處理室12。需要時(shí)也可以利用出氣口20或位于晶片水平之下的附加更大的出口，在處理室12中產(chǎn)生真空。
在處理過程中，在一種實(shí)施方式中，襯底座15可以利用晶片旋轉(zhuǎn)裝置21被用于旋轉(zhuǎn)晶片14。旋轉(zhuǎn)晶片促進(jìn)沿晶片表面的更大的溫度均勻性并促進(jìn)晶片14與被導(dǎo)入處理室的任何氣體之間的增強(qiáng)接觸。但是，應(yīng)該理解除了晶片處理室12也被用于處理光學(xué)部件、薄膜、纖維、帶和具有任何特定形狀的其它襯底。
通常包括與處理室12聯(lián)系的熱源或加熱設(shè)備22用以在處理過程中加熱晶片14。加熱設(shè)備22包括多個(gè)線性燈24，例如鎢鹵燈。這里所用的“線性燈”指被設(shè)計(jì)為通過燈的最長尺寸發(fā)射它的大部分能量的燈。例如，在大部分實(shí)施方式中，線性燈通過燈的側(cè)面發(fā)射它的大部分能量。如圖1所示，燈24被水平排列在晶片14上。但是，應(yīng)該理解燈24可以被放置在任何特定位置，例如僅低于晶片或在晶片之上和之下。此外，如果需要可以在系統(tǒng)10中包括附加燈。
除線性燈之外，本發(fā)明的系統(tǒng)也可以使用垂直定向燈。這些燈被定位以使燈的端部面對晶片。
如圖所示，燈24被裝備有可以被用于增加或降低由任何燈所發(fā)射的光能的分級功率控制器25。
為了輔助將由燈24所發(fā)射的光能導(dǎo)向晶片14，燈可以被與反射器或一組反射器聯(lián)合。例如，如圖1所示，加熱設(shè)備22包括被定位在線性燈24之上的反射板36。反射板36可以由任何適合反射光能的材料制成并且可以具有任何能輔助將光能導(dǎo)向晶片14的適當(dāng)形狀。
除了燈24，如圖1所示，系統(tǒng)包括如本發(fā)明的光源或燈40。如圖所示，燈40被相對于晶片14以一角度定位以優(yōu)化晶片的光能吸收。如將在下文更詳細(xì)說明的那樣，除了調(diào)整入射角之外，由燈40所發(fā)射的輻射也可以被設(shè)計(jì)為在或接近p偏振面內(nèi)沖擊晶片。
如圖1所示，如本發(fā)明所設(shè)計(jì)的燈40可以連同燈28被使用。另外，如圖2所示，晶片14可以單獨(dú)通過燈40被加熱。特別是，如圖2所示，燈40被以所需角度定位在晶片14周圍。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，燈40可以被連同被放置在晶片附近的基座使用?；梢园ㄓ靡约訜峋碾娮杓訜崞鳌?br> 參照圖1，為了監(jiān)測加熱過程中晶片14的溫度，在本實(shí)施方式中，熱處理室12通常包括多個(gè)輻射傳感器27。輻射傳感器27包括多個(gè)依次與多個(gè)相應(yīng)光檢測器30聯(lián)系的光學(xué)纖維或光管28。光學(xué)纖維28被設(shè)計(jì)為以特定波長接收由晶片14所發(fā)射的熱能。然后被檢測輻射的數(shù)量被傳送至光檢測器30，光檢測器30產(chǎn)生可用電壓信號，以確定可以部分根據(jù)Planck定律計(jì)算的晶片的溫度。在一種實(shí)施方式中，每個(gè)與光檢測器30結(jié)合的光學(xué)纖維28包含高溫計(jì)。在另一實(shí)施方式中，光學(xué)纖維28被發(fā)送至單路但多路輻射傳感器。
通常地，熱處理室12可以包含一個(gè)或多個(gè)輻射傳感器。在優(yōu)選實(shí)施方式中，如圖1所示，熱處理室12包含在不同位置測量晶片的溫度的多個(gè)輻射傳感器。知道晶片不同位置的溫度那么可以被用于控制被應(yīng)用于晶片的熱量，如將在下文更詳細(xì)說明的那樣。被應(yīng)用于晶片的不同區(qū)域的熱量也可以被以一種開環(huán)方式控制。在本設(shè)計(jì)中不同加熱區(qū)域之間的比率可以在人工優(yōu)化之后被預(yù)先確定。
系統(tǒng)10還包括將燈24從熱處理室分離的窗32。窗32起到分離燈24與晶片14的的作用并防止熱處理室的污染。如圖1所示的窗32可以是被定位在室12與熱源22之間的窗。
除了使用輻射傳感器之外，在本發(fā)明的系統(tǒng)中也可以使用其它溫度傳感器。例如，一個(gè)或更多的熱電偶可以被結(jié)合入系統(tǒng)中以在單個(gè)位置或在多個(gè)位置監(jiān)測晶片的溫度。熱電偶可以被放置直接與晶片接觸或可以被放置靠近晶片，從該熱電偶可以推斷溫度。
系統(tǒng)10還包括可以是例如微處理器的系統(tǒng)控制器50?？刂破?0接收來自光檢測器30的代表在多個(gè)位置抽樣的輻射量的電壓信號。基于所接受的信號，控制器50被設(shè)計(jì)為計(jì)算晶片14的不同位置的溫度。
如圖1所示的系統(tǒng)控制器50也可以與燈功率控制器25聯(lián)系。在這種設(shè)置中，控制器50可以確定晶片14的溫度，并基于此信息控制由燈24和/或燈40所發(fā)射的熱能的數(shù)量。在這種方式中，可以根據(jù)反應(yīng)器12中的條件做出瞬時(shí)調(diào)節(jié)以在仔細(xì)控制的極限內(nèi)處理晶片14。
在一種實(shí)施方式中，控制器50也可以被用于自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)的其它元件。例如，控制器50可以被用于控制氣體通過進(jìn)氣口18進(jìn)入處理室12的流速。如圖所示，控制器50還可以被用于控制晶片在處理室中被旋轉(zhuǎn)的速度。
如上所述，本發(fā)明通常涉及設(shè)計(jì)熱處理室中的多種光源以優(yōu)化由被加熱晶片的光能吸收。本發(fā)明的意圖是最小化在過去當(dāng)處理具有不同性質(zhì)和/或被涂有不同材料的晶片時(shí)所經(jīng)歷的問題。通常，本發(fā)明涉及改變光源的入射角以最大化吸收，將由光源所發(fā)射的光設(shè)計(jì)為處于p偏振狀態(tài)或?qū)嵸|(zhì)上處于p偏振狀態(tài)以優(yōu)化吸收和/或使用幾個(gè)不同波長以保證至少一些光能被晶片有效地吸收。
圖4和5意圖說明本發(fā)明所涉及的一些有關(guān)概念。圖4表示涂有兩層涂層的半導(dǎo)體晶片的光譜吸收率。該兩層涂層包括二氧化硅底涂層和多晶硅表面涂層。具體說來，二氧化硅底涂層為0.5微米厚，而多晶硅表面涂層為0.2微米厚。圖4所示的圖表表示吸收如何隨波長而改變。此外，該圖表包括表示三種情況下以45°的入射角接觸晶片的光能的吸收率的三條曲線，這三種情況是光能處于(1)p偏振狀態(tài)、(2)s偏振狀態(tài)和(3)未偏振狀態(tài)。如圖所示，未偏振狀態(tài)成為s偏振和p偏振狀態(tài)的平均。
如圖4所示，通過使晶片與p偏振狀態(tài)的光能接觸光譜吸收率的偏差量被減小。此外，在任何給定波長下p偏振光的吸收率較大，這表明更好和更有效的功率耦合(power coupling)。
圖5表示被用于產(chǎn)生圖4所示結(jié)果的相同結(jié)構(gòu)的光譜吸收率。但是，在圖5所示的圖表中，所用的曲線代表p偏振狀態(tài)的光能。在本圖表中，入射角在法線(0°)、45°和60°之間變動(dòng)。
如圖所示，隨著入射角從0°上升至60°，光譜吸收率的偏差被減小。此外，根據(jù)入射角不同可以在不同波長處看到增加的吸收率。
按照本發(fā)明，圖4和5表示如果(1)使用多個(gè)波長光、(2)光被設(shè)計(jì)為p偏振狀態(tài)和(3)入射角被增加至大于0°，可以被實(shí)現(xiàn)的各種收益。此外，圖5也表示以多于一個(gè)的入射角安裝燈以進(jìn)一步優(yōu)化吸收的潛在收益。
參照圖6至9，現(xiàn)在將詳細(xì)討論本發(fā)明的多種應(yīng)用。具體說來，圖6和7涉及加熱半導(dǎo)體晶片的激光器的使用，而圖8和9涉及應(yīng)用本發(fā)明的概念至非相干光源。
參照圖6，表示激光器40以入射角θ發(fā)射激光束60至晶片14上。通常，激光器發(fā)射較窄波長范圍內(nèi)的光。激光器可以是提供高強(qiáng)度光的非常有效的加熱設(shè)備。但是，由于激光輻射的高單色性質(zhì)，晶片僅有有效的的非常小的功率吸收光譜平均值，這使得激光器加熱對半導(dǎo)體晶片單個(gè)加熱循環(huán)過程和不同晶片的處理過程中的吸收功率波動(dòng)特別敏感。
如圖6所示，通過改變激光束60的入射角可以最小化吸收波動(dòng)。如上所述，大部分表面的反射率是入射角的函數(shù)。因此，改變激光接觸晶片的入射角可以增加吸收。
對大部分應(yīng)用而言，當(dāng)處理半導(dǎo)體晶片時(shí)，當(dāng)入射角大于10°，例如從大約40°至約85°并且更具體地說從大約60°至約85°時(shí)，發(fā)生吸收優(yōu)化。特別是，接近臨界角，即Brewster角時(shí)硅的反射率非常低。對硅而言，Brewster角為大約75°。
當(dāng)使用激光器時(shí)的具體優(yōu)點(diǎn)是不僅輻射高度定向，而且許多類型的激光自然地是平面偏振的。因此，當(dāng)調(diào)整入射角時(shí)，激光束也可以被放置在相對于晶片表面的p偏振面內(nèi)。如以上圖4和5所示，當(dāng)將光放置在p偏振狀態(tài)時(shí)可以發(fā)生優(yōu)化的至晶片的光耦合。
但是，應(yīng)該理解除了將光放置在p偏振狀態(tài)之外，在其它實(shí)施方式中，可以優(yōu)選將光放置在其它設(shè)計(jì)中。例如，在另一實(shí)施方式中，光可以被放置在不是p偏振狀態(tài)，而是接近p偏振狀態(tài)。在另一實(shí)施方式中，橢圓偏振光可以被導(dǎo)向晶片。橢圓偏振光指在空間任何一點(diǎn)的電場矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)描繪一橢圓的電磁波的偏振。
用于任何應(yīng)用的特定光設(shè)計(jì)將根據(jù)多種因素而定。例如，被加熱的表面的形貌可以在確定應(yīng)該如何設(shè)計(jì)接觸晶片的光中起作用。舉例說來，表面的槽、角和其它非光滑特征，可以影響晶片的吸收特性。在一種實(shí)施方式中，當(dāng)處理具有三維表面的襯底時(shí)，可以限定最好地考慮了表面不平度的平整表面。一旦限定平整表面，就可以選擇平面度、入射角、和接觸該表面的光波長。
可以使用多種方法以定向激光器，用來保證激光束60在p偏振面內(nèi)或在某些其它合乎需要的設(shè)計(jì)中沖擊晶片14。例如，為了將激光束調(diào)整為p偏振狀態(tài)，激光器可以被旋轉(zhuǎn)或者激光束可以利用鏡和/或光學(xué)裝置被操作。例如，在一種實(shí)施方式中，半波片可以被用于將激光束放置入被限定平面，例如p偏振面。
替代或除了調(diào)整入射角和將激光束放置在p偏振狀態(tài)之外，可以在熱處理室中使用幾種不同類型的各自發(fā)射不同波長的光的激光器。例如，如圖7(a)所示，第一激光器40和第二激光器140可以發(fā)射不同波長的光至晶片14上。
因此，當(dāng)特定襯底在一激光器操作的波長下為高反射性時(shí)，以不同波長操作的第二激光器可以被用于加熱晶片。由不同激光器產(chǎn)生的輻射在接觸晶片之前可以被光結(jié)合(optically combined)。此外，來自不同激光器的幾個(gè)光束可以照射晶片的選定區(qū)域。在另一實(shí)施方式中，幾個(gè)光束在晶片被旋轉(zhuǎn)時(shí)可以照射相同晶片半徑。激光器可以被安裝以照射晶片的前部和/或后部。并且，在一種實(shí)施方式中，晶片的前部可以特定波長或波長范圍被加熱，而晶片的后部可以由不同波長或波長范圍的光加熱。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，可以使用可調(diào)整激光器以加熱晶片。例如，可以使用具有可調(diào)整波長設(shè)定的激光器用于在特定加熱周期中或從加熱周期至加熱周期中調(diào)整波長。除了調(diào)整波長，本發(fā)明中所用的激光器也可以是可移動(dòng)的以在處理過程中調(diào)整入射角。在這種方法中，隨著被加熱晶片的表面特性和性質(zhì)改變可以在光源和晶片之間發(fā)生優(yōu)化功率耦合。
除了使用以不同波長操作的激光器之外，如圖7(a)所示，各激光器40和140的入射角可以不同以保證至少一個(gè)激光器將在加熱過程中具有高度吸收。
可以利用圖7(a)所示的多個(gè)激光器產(chǎn)生多個(gè)入射角，或者可以利用圖7(b)所示的單個(gè)激光器實(shí)施。如圖7(b)所示，激光器40發(fā)射通過光束分離設(shè)備70被分成兩光束62和64的激光束60。在這種實(shí)施方式中，發(fā)射鏡72然后被用于將激光束64以不同于激光束62的入射角的入射角導(dǎo)向晶片14上。但是，除了反射鏡72之外，應(yīng)該理解可以利用例如光學(xué)纖維、透鏡、光管等將激光束導(dǎo)向晶片。
通常，在本發(fā)明中可以使用任何適當(dāng)類型的激光器，包括連續(xù)波激光器和脈沖激光器。在一種實(shí)施方式中，使用激光二極管。激光二極管有效地將電轉(zhuǎn)換為激光輻射并以高額定功率可用。例如，目前可以在市場上買到傳送大于10瓦特的連續(xù)功率的高功率設(shè)備，它具有400nm和4000nm之間的發(fā)射波長。上述激光器可以結(jié)合重整被發(fā)射光束并將它導(dǎo)向晶片的光束傳送光學(xué)器件。例如，激光器可以與光學(xué)纖維耦合以將光導(dǎo)向晶片的特定位置上。
在本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)脈沖激光器的使用可以提供多種優(yōu)點(diǎn)。脈沖激光器間歇地產(chǎn)生大量能量。這種激光器可以特別適合用于退火方法中，尤其是離子注入損傷退火方法。認(rèn)為脈沖激光器可提供受控?fù)p傷退火以產(chǎn)生具有高質(zhì)量的薄膜。
如上所述，激光器發(fā)射高方向性光。為了使用激光器加熱半導(dǎo)體晶片的整個(gè)表面，可以使用多種技術(shù)。例如，在一種實(shí)施方式中，多個(gè)激光器可以被定位在熱處理室內(nèi)以接觸晶片的不同區(qū)域。如果需要，由激光器所發(fā)射的激光束也可以利用光學(xué)器件整形，只要整形激光束不妨礙這里所述的優(yōu)化技術(shù)。此外，激光束可以掃描晶片的整個(gè)表面或選定區(qū)域。
除了設(shè)計(jì)激光束，本發(fā)明也適用于由例如鎢鹵燈或弧光燈之類的非相干光源發(fā)射的光束。該光源可以發(fā)射連續(xù)光或脈沖光。非相干光源通常發(fā)射比激光器更寬的光譜范圍的光能。因此，當(dāng)使用非相干光源時(shí)由于更大的波長范圍和通常更大的入射角范圍，發(fā)生較小的功率耦合偏差。然而，本發(fā)明可以被用于進(jìn)一步改進(jìn)非相干光源與被加熱晶片之間的功率耦合。
例如，在一種實(shí)施方式中，如本發(fā)明由非相干光源所發(fā)射的光可以被校準(zhǔn)、偏振和設(shè)計(jì)為以大于0°、特別是大于10°的入射角沖擊晶片。
例如，參照圖8，表示非相干光源40發(fā)射光能至晶片14上。舉例說來，非相干光源40可以是弧光燈、鎢鹵燈等。如圖所示，由燈40所發(fā)射的光被利用反射器80校準(zhǔn)以使大部分光以特定入射角沖擊晶片14。
反射器80圍繞光源40并且可以具有多種形狀。但是，通常所示的拋物線狀將產(chǎn)生校準(zhǔn)的輸出光束。
除了使用反射器，多種其它設(shè)備可以被用于校準(zhǔn)由燈40所發(fā)射的光。例如，一種替代實(shí)施方式，光學(xué)透鏡可以被用于更好地將光導(dǎo)向晶片上。例如會聚透鏡、柱面透鏡或波帶片(zone plate)可以被單獨(dú)使用或結(jié)合反射器使用以校準(zhǔn)光。
除了校準(zhǔn)由燈40所發(fā)射的光，如圖8所示，本發(fā)明的系統(tǒng)還可以包括偏振設(shè)備82。選擇偏振設(shè)備82被選定以使偏振設(shè)備輸出的光處于p偏振狀態(tài)。由于這種設(shè)計(jì)，由燈40所發(fā)射的光能以所需入射角和以p偏振狀態(tài)沖擊晶片14，以優(yōu)化晶片的吸收。
除了使光處于p偏振狀態(tài)，偏振設(shè)備82也可以被用于使光處于接近p偏振狀態(tài)或被用于產(chǎn)生所需的橢圓偏振光。
但是，許多如圖8所示的偏振設(shè)備82可以較大地減少到達(dá)晶片的光能的數(shù)量。例如，一些偏振設(shè)備消除大約50％的由燈40所發(fā)射的光能。為了更有效地偏振由燈40所發(fā)射的光，在一種替代實(shí)施方式中，可以使用如圖9所示的偏振光束分離設(shè)備84。偏振光束分離設(shè)備84接收由燈40所發(fā)射的被校準(zhǔn)光并將該被校準(zhǔn)光分為兩光束90和92。設(shè)定偏振光束分離設(shè)備84以使光束90處于p偏振狀態(tài)。如圖所示，光束90以第一入射角接觸晶片14。
另一方面，光束92被隨后利用反射鏡、光學(xué)器件、半波片或其它適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)裝置86重新導(dǎo)向。具體說來，光束92被旋轉(zhuǎn)、定向或其它操作并作為處于p偏振狀態(tài)或某種其它所需設(shè)計(jì)的光束94以第二入射角重新導(dǎo)向晶片14上。光束90和94的入射角可以相同或者可以不同。
本發(fā)明可以使用多種不同偏振設(shè)備。例如，偏振光束分離設(shè)備84可以為一種線柵偏振鏡、例如涂介電膜的設(shè)備的涂薄膜設(shè)備、立方光束分離器、或任何其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。
參照圖1，如上所述，本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括控制器50。控制器50可以被用于監(jiān)測晶片的溫度并因此控制被發(fā)射至晶片上的光能的量。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，控制器50可以被設(shè)置與一個(gè)或更多的傳感器98聯(lián)系。傳感器98可以被用于檢測由晶片所反射的輻射量。具體說來，傳感器可以幫助估計(jì)所反射功率的量以調(diào)節(jié)被傳送至晶片的輸入功率。傳感器98將特別適用于使用激光照明的系統(tǒng)，其中從所被反射光束的強(qiáng)度可以獲得耦合的簡單計(jì)算。可以在處理前利用低功率光束或者在處理過程中從實(shí)際光束獲得該估值。
除改變被傳送至晶片的功率量之外，從傳感器所收集的信息也可以被用于改變接觸晶片的光的波長和/或改變接觸晶片的光的入射角。
傳感器98可以是能夠檢測被反射光的任何適當(dāng)器件。例如，傳感器98可以是光檢測器或熱檢測器。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，系統(tǒng)可包括被定位于熱處理室中的反射器。該反射器可以被用于反射被從晶片反射回(back)至晶片上的光能。同樣，這種反射器將特別適合用于使用激光束的系統(tǒng)中?？梢员皇褂玫姆瓷淦鞯睦邮墙怯缋忡R后向反射器，該反射器可以將被反射光以相同的入射角從晶片發(fā)送回至晶片。通過將光反射回晶片上，在加熱過程中另外的光能將被晶片吸收。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，本發(fā)明的技術(shù)和優(yōu)點(diǎn)可以被用于加熱晶片14以及如圖1所示的無滑環(huán)(slip free ring)99。無滑環(huán)指一種完全圍繞或至少實(shí)質(zhì)上圍繞晶片邊緣并在處理過程中提供加熱晶片邊緣的另外能量的設(shè)備。無滑環(huán)通常被用于抵消在晶片邊緣發(fā)生的熱損。
如本發(fā)明，如圖1所示，無滑環(huán)99可以按優(yōu)化熱耦合的方式被光設(shè)備40加熱。舉例說來，光設(shè)備40可以特定入射角和特定偏振狀態(tài)反射光以優(yōu)化被無滑環(huán)99所吸收的熱能量。將根據(jù)制成無滑環(huán)的材料確定加熱無滑環(huán)的光的具體入射角、光波長、和偏振狀態(tài)。例如，無滑環(huán)可以由多種材料制成，這些材料包括硅、碳化硅、石墨、涂有石墨的碳化硅、石英、以及多種其它材料。
如本發(fā)明，無滑環(huán)99也可以被涂有多種材料以優(yōu)化光吸收。例如，無滑環(huán)可以被涂有抗反射涂層。例如，在一種實(shí)施方式中，硅環(huán)可以被涂有二氧化硅或氮化硅。
在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對本發(fā)明的這些和其它修改和變化可以被本領(lǐng)域的技術(shù)人員實(shí)施，本發(fā)明的精神和范圍在權(quán)利要求書中更具體地提出。此外，應(yīng)該理解各種實(shí)施方式的方面可以全部或部分地被互換。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解前面的說明僅是示例，并不是意圖限制在所附權(quán)利要求書中進(jìn)一步被說明的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種加熱半導(dǎo)體襯底的方法，該方法包括以下步驟將半導(dǎo)體襯底放置在處理室中；將光能導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底以加熱所述半導(dǎo)體襯底，所述光能以大于0°的入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底；和其中所述光能在p偏振面或接近p偏振面中接觸所述半導(dǎo)體襯底。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述光能由非相干光源發(fā)射。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述光能以大于10°的入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中所述光能被偏振產(chǎn)生第一p偏振光能束和第二p偏振光能束，所述第一和第二p偏振光能束被導(dǎo)向上述半導(dǎo)體襯底上。
5.如權(quán)利要求1的方法，還包括在使所述光能偏振之前校準(zhǔn)光能的步驟。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中利用反射設(shè)備校準(zhǔn)所述光能。
7.如權(quán)利要求5的方法，其中利用光學(xué)透鏡校準(zhǔn)所述光能。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中利用線柵偏振設(shè)備使所述光能偏振。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底由所述光能結(jié)合其它能源加熱。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中所述其它能源包括光能源。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中所述光能由弧光燈或鎢鹵燈發(fā)射。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中所述光能以從大約40°至約85°范圍內(nèi)的入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底。
13.如權(quán)利要求1的方法，還包括檢測被反射離開所述半導(dǎo)體襯底的所述光能的量、并基于此信息改變所述光能的設(shè)計(jì)以改變被所述半導(dǎo)體襯底吸收的光能的量的步驟。
14.如權(quán)利要求1的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底由所述光能結(jié)合電阻加熱器加熱。
15.如權(quán)利要求1的方法，還包括將被反射離開所述半導(dǎo)體襯底的所述光能的任何部分重新導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底上的步驟。
16.一種加熱半導(dǎo)體襯底的方法，該方法包括以下步驟將半導(dǎo)體襯底放置在處理室中；和將激光束從至少第一激光器和第二激光器導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底，其中所述第一激光器發(fā)射第一波長范圍的光，而所述第二激光器發(fā)射第二波長范圍的光，所述第一波長范圍不同于第二波長范圍。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中所述第一波長范圍和所述第二波長范圍不重疊。
18.如權(quán)利要求16的方法，其中所述激光束處于p偏振狀態(tài)。
19.如權(quán)利要求16的方法，其中所述第一激光器發(fā)射第一激光束而所述第二激光器發(fā)射第二激光束，并且其中所述第一和第二激光束以大于10°的入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中所述第一和第二激光束以從大約40°至約85°范圍內(nèi)的入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底。
21.如權(quán)利要求19的方法，其中所述第一激光束以第一入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底，而所述第二激光束以第二入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底，所述第一入射角和所述第二入射角不同。
22.如權(quán)利要求16的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底由除所述激光束之外的其它能源加熱。
23.如權(quán)利要求16的方法，其中至少某些所述激光束為脈沖激光束。
24.如權(quán)利要求16的方法，其中除所述激光束之外，所述半導(dǎo)體襯底由電阻加熱器加熱。
25.如權(quán)利要求16的方法，還包括將被反射離開所述半導(dǎo)體襯底的所述光能的任何部分重新導(dǎo)向回所述半導(dǎo)體襯底上的步驟。
26.如權(quán)利要求16的方法，還包括檢測被反射離開半導(dǎo)體襯底的來自一個(gè)激光器的光能的量、并基于此信息改變至少一個(gè)激光器的設(shè)計(jì)以改變被半導(dǎo)體襯底吸收的光能的量的步驟。
27.一種加熱半導(dǎo)體襯底的方法，該方法包括以下步驟將半導(dǎo)體襯底放置在處理室中；將脈沖激光束導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底；設(shè)計(jì)所述脈沖激光束以至少10°的入射角沖擊所述襯底；和設(shè)計(jì)所述脈沖激光束沖擊所述襯底以使所述脈沖激光束在p偏振面內(nèi)沖擊所述襯底。
28.如權(quán)利要求27的方法，其中所述脈沖激光束沖擊所述半導(dǎo)體襯底以實(shí)施離子注入退火方法。
29.如權(quán)利要求27的方法，其中所述脈沖激光束以從大約40°至約85°范圍內(nèi)的入射角沖擊所述襯底。
30.如權(quán)利要求27的方法，其中，除所述脈沖激光束之外，所述半導(dǎo)體襯底由其它能源加熱。
31.如權(quán)利要求27的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底被除所述脈沖激光束之外的至少一個(gè)其它激光束接觸，所述其它激光束以不同于脈沖激光束接觸所述半導(dǎo)體襯底的入射角的入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底。
32.如權(quán)利要求31的方法，其中所述其它激光束也是脈沖激光束。
33.如權(quán)利要求27的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底被除所述脈沖激光束之外的至少一個(gè)其它激光束接觸，所述其它激光束具有不同于所述脈沖激光束的波長范圍的波長范圍。
34.如權(quán)利要求27的方法，還包括將被反射離開所述半導(dǎo)體襯底的所述脈沖激光束的任何部分重新導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底上的步驟。
35.如權(quán)利要求27的方法，其中除所述激光束之外，所述半導(dǎo)體襯底由電阻加熱器加熱。
36.如權(quán)利要求27的方法，還包括檢測被反射離開半導(dǎo)體襯底的脈沖激光束的量、并基于此信息改變脈沖激光束的設(shè)計(jì)以改變被半導(dǎo)體襯底吸收的光能的量的步驟。
37.一種加熱半導(dǎo)體襯底的方法，該方法包括以下步驟將半導(dǎo)體襯底放置在處理室中；和將至少第一激光束和第二激光束導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底上以加熱所述襯底，所述第一激光束以第一入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底，所述第二激光束以第二入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底，所述第一入射角不同于所述第二入射角，所述第一和第二激光束中的每一個(gè)均在p偏振狀態(tài)下接觸所述半導(dǎo)體襯底。
38.如權(quán)利要求37的方法，其中所述第一激光束和所述第二激光束從相同的激光器中發(fā)射。
39.如權(quán)利要求37的方法，其中所述第一激光束從第一激光器發(fā)射，而所述第二激光束從第二激光器發(fā)射。
40.如權(quán)利要求37的方法，其中至少所述第一激光束包含脈沖激光束。
41.如權(quán)利要求37的方法，其中所述第一入射角和所述第二入射角大于10°。
42.如權(quán)利要求37的方法，其中所述第一入射角和所述第二入射角的范圍是從大約40°至85°。
43.如權(quán)利要求37的方法，其中所述第一激光束具有第一波長范圍而所述第二激光束具有第二波長范圍，并且其中所述第一波長范圍不同于所述第二波長范圍。
44.如權(quán)利要求37的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底由除所述第一激光束和所述第二激光束之外的其它能源加熱。
45.如權(quán)利要求37的方法，還包括檢測被反射離開所述半導(dǎo)體襯底的所述激光束的量、并基于此信息改變至少一個(gè)激光器的設(shè)計(jì)以改變被所述半導(dǎo)體襯底吸收的光能的量的步驟。
46.如權(quán)利要求37的方法，還包括檢測被反射離開半導(dǎo)體襯底的來自一個(gè)激光器的光能的量，并基于此信息改變至少一個(gè)激光器的設(shè)計(jì)以改變被半導(dǎo)體襯底吸收的光能的量的步驟。
47.一種加熱半導(dǎo)體襯底的方法，該方法包括以下步驟將半導(dǎo)體襯底放置在處理室中，所述襯底至少基本上被無滑環(huán)圍繞；和將光能導(dǎo)向所述無滑環(huán)上以加熱所述半導(dǎo)體襯底，所述光能以大于0°的入射角接觸所述無滑環(huán)，所述光能也在p偏振狀態(tài)、橢圓形偏振狀態(tài)、或接近p偏振狀態(tài)下接觸所述無滑環(huán)。
48.如權(quán)利要求47的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底也由電阻加熱器加熱。
49.如權(quán)利要求47的方法，其中所述無滑環(huán)由至少一個(gè)激光器加熱。
50.如權(quán)利要求47的方法，其中所述光能也被導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底上并加熱該襯底。
51.如權(quán)利要求47的方法，其中所述無滑環(huán)涂有抗反射涂層。
52.一種加熱半導(dǎo)體襯底的方法，該方法包括以下步驟將半導(dǎo)體襯底放置在處理室中；在所述處理室中旋轉(zhuǎn)所述半導(dǎo)體襯底；將光能導(dǎo)向所述半導(dǎo)體襯底上以加熱所述半導(dǎo)體襯底，所述光能以大于0°的入射角接觸所述半導(dǎo)體襯底，所述光能也在p偏振狀態(tài)、橢圓形偏振狀態(tài)、或接近p偏振狀態(tài)下接觸所述半導(dǎo)體襯底，所述光能在所述襯底的半徑上的位置接觸所述半導(dǎo)體襯底，并且其中通過晶片的旋轉(zhuǎn)所述襯底的所述整個(gè)半徑被加熱。
全文摘要
一種用于熱處理半導(dǎo)體晶片(14)的設(shè)備，該設(shè)備包括加熱設(shè)備(22)，加熱設(shè)備(22)包含向晶片(14)上發(fā)射光能的一組線性燈(24)。線性燈(24)可以多種設(shè)計(jì)被放置。按照本發(fā)明，被用于調(diào)節(jié)光源的總輻照度分布的調(diào)節(jié)設(shè)備(40)被包括在加熱設(shè)備(22)中。例如，調(diào)節(jié)設(shè)備(40)可以是燈或激光器。
文檔編號F27D99/00GK1556910SQ02818549
公開日2004年12月22日 申請日期2002年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月7日
發(fā)明者保羅·賈尼斯·蒂曼斯, 保羅 賈尼斯 蒂曼斯 申請人:瑪特森技術(shù)公司