CN110064839A - 一种激光退火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种激光退火装置，包括：控制模块；激光光束发生模块，激光光束发生模块与控制模块电连接，用于根据控制模块输出的激光控制信号产生第一激光光束；激光光束调整模块，激光光束调整模块与控制模块电连接，用于根据控制模块输出的可动机构参数对第一激光光束的激光强度分布进行调整以转换为第二激光光束；光学模块，光学模块用于对第二激光光束进行汇聚以在对应设置的衬底上形成与激光控制信号对应的光斑。本发明实施例中，无论激光器输出的光束质量如何变化，均不会对第一激光光束产生影响，也不会给工艺带来不确定的影响；无需频繁调节激光器的产率，保证了激光器产率最大化利用。

Description

一种激光退火装置
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术，尤其涉及一种激光退火装置。
背景技术
退火处理主要是指将材料曝露于高温很长时间后，然后再慢慢冷却的热处理制程。传统的炉子加热退火，即使在高达1100度下退火，仍不能彻底消除结晶缺陷。而激光退火则能比较彻底地消除结晶缺陷。
现有的激光退火技术，当硅片需要强能量曝光时，通过主动增加激光器光强的方式生成小尺寸光斑以实现强能量，当硅片需要弱能量曝光时，通过主动减弱激光器光强的方式生成大尺寸光斑以实现弱能量，该小尺寸光斑和大尺寸光斑的尺寸均固定不变。而激光器的产率与激光器光强的强弱相关，弱能量曝光时激光器利用率低，目前的退火方式导致不能够发挥出激光器的最大产率。
发明内容
本发明实施例提供一种激光退火装置，以解决无法发挥出激光器的最大产率的问题。
本发明实施例提供了一种激光退火装置，包括：控制模块，激光光束发生模块和光学模块，其特征在于，还包括：激光光束调整模块；
所述激光光束发生模块与所述控制模块电连接，用于根据所述控制模块输出的激光控制信号产生第一激光光束；
所述激光光束调整模块与所述控制模块电连接，用于根据所述控制模块输出的可动机构参数对所述第一激光光束的激光强度分布进行调整以转换为第二激光光束；
所述光学模块用于对所述第二激光光束进行汇聚以在对应设置的衬底上形成与所述激光控制信号对应的光斑。
进一步地，所述激光光束调整模块包括：第一旋转机构和柱面微透镜阵列镜组；
所述第一旋转机构分别与所述控制模块和所述柱面微透镜阵列镜组连接，用于根据所述可动机构参数控制所述柱面微透镜阵列镜组旋转以调节所述柱面微透镜阵列镜组的角度。
进一步地，所述柱面微透镜阵列镜组包括：平面相对设置的两个柱面微透镜阵列。
进一步地，所述第一旋转机构包括电机或高精度运动组件。
进一步地，所述柱面微透镜阵列镜组的旋转角度小于或等于45°。
进一步地，所述激光光束调整模块还包括：柱面镜组以及第二旋转机构，所述柱面微透镜阵列镜组和所述柱面镜组沿光束传播方向依次排布；
所述第二旋转机构分别与所述控制模块和所述柱面镜组连接，用于根据所述可动机构参数控制所述柱面镜组的镜片间隔。
进一步地，所述柱面镜组包括：沿所述光束传播方向排布的至少一个凸透镜和至少一个凹透镜。
进一步地，所述第二旋转机构包括电机或高精度运动组件。
进一步地，所述柱面镜组的镜片间隔小于或等于10毫米。
进一步地，所述激光光束发生模块包括：沿光束传播方向依次排布的激光器，光束处理单元，分光器，激光角度调节结构和扩束单元。
进一步地，所述激光角度调节结构包括：沿所述光束传播方向依次排布的反射角度调节单元，准直单元和快门控制单元。
进一步地，所述激光控制信号包括激光功率密度和激光频率。
进一步地，所述光学模块包括反射镜和汇聚镜组。
进一步地，所述光斑的长宽比为30:1或15:1。
本发明实施例中，控制模块输出激光控制信号以使激光光束发生模块产生第一激光光束，得到激光控制信号所需能量密度的激光光束，控制模块还输出可动机构参数以使激光光束调整模块调整第一激光光束的激光能量分布并转换为第二激光光束，以得到设定尺寸光斑所对应的激光光束，光学模块对第二激光光束进行汇聚以在对应设置的衬底上形成设定尺寸光斑。本发明实施例中，无论激光器输出的光束质量如何变化，均不会对第一激光光束产生影响，也不会给工艺带来不确定的影响；激光退火装置在需要对衬底进行不同程度的退火时，无需频繁调节激光器的产率，保证了激光器产率最大化利用，还保证了激光退火装置的工艺稳定性，并减少维修维护对机台光斑的影响；还实现了激光光斑动态可调。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种激光退火装置的示意图；
图2是图1所述激光退火装置的激光光束调整模块的示意图；
图3是图1所述激光退火装置的3mm*0.1mm的光斑形貌；
图4是图1所述激光退火装置的3mm*0.2mm的光斑形貌。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示，为本发明实施例提供的一种激光退火装置的示意图，该激光退火装置可直接应用于半导体表面退火，也可以应用于玻璃基板、金属材料表面热处理等领域，尤其是可根据实际需求调整输出光斑的轮廓，实现光斑动态可调。
本实施例提供的激光退火装置包括：控制模块100，激光光束发生模块200和光学模块400；还包括：激光光束调整模块300；激光光束发生模块200与控制模块100电连接，用于根据控制模块100输出的激光控制信号产生第一激光光束；激光光束调整模块300，激光光束调整模块300与控制模块100电连接，用于根据控制模块100输出的可动机构参数对第一激光光束的激光强度分布进行调整以转换为第二激光光束；光学模块400用于对第二激光光束进行汇聚以在对应设置的衬底500上形成与激光控制信号对应的光斑。
本实施例中，控制模块100输出激光控制信号以控制激光光束发生模块200产生所需的第一激光光束，还输出可动机构参数以控制激光光束调整模块300旋转运动以对第一激光光束进行整形得到第二激光光束，再通过光学模块400对第二激光光束进行汇聚得出所需尺寸光斑。
控制模块100输出不同激光控制信号，不同激光控制信号中包含的激光参数不同，相应计算得到的可动机构参数也不同，则最终所对应的光斑尺寸也不同。控制模块100输出的可动机构参数为激光控制信号所对应的可动机构参数，具体的，激光控制信号中包含与光斑尺寸对应的激光能量密度和激光输出光功率，可动机构参数中包含根据外部输入需求的光斑尺寸及激光能量密度和激光输出光功率等参数计算得出的机动角度。可选激光能量密度包括激光功率密度，激光输出光功率包括激光频率，因此可选激光控制信号包括激光功率密度和激光频率。
可选激光控制信号为深度退火控制信号或浅层退火控制信号。衬底500如硅片，需要深度退火时，可通过提高激光能量密度实现硅片的深度退火，此时控制模块100输出的激光控制信号为深度退火控制信号，控制模块100输出的可动机构参数为深度退火控制信号所对应的可动机构参数，控制模块100根据激光控制信号和可动机构参数控制，使得激光退火装置产生所需能量密度的设定尺寸光斑并对衬底500进行深度退火。同理，硅片需要浅层退火时，可通过降低激光能量密度实现硅片的浅层退火，此时控制模块100输出的激光控制信号为浅层退火控制信号，控制模块100根据激光控制信号和可动机构参数控制，还使得激光退火装置产生所需能量密度的设定尺寸光斑并对衬底500进行浅层退火。具体点，硅片需要深度退火时，控制装置100控制进入窄光斑模式，设定尺寸窄光斑可以增加硅片表面的激光能量密度，提升退火深度与激活率。硅片需要浅层退火时，控制装置100控制进入宽光斑模式，产生的设定尺寸宽光斑可以降低硅片表面的激光能量密度，能量密度与退火深度相匹配，避免过高的能量密度导致薄硅片破碎。
需要说明的是，激光退火装置的激光器长期工作后光束质量发生变化，本实施例中对激光器输出的光束进行调节以产生所需能量密度的第一激光光束，第一激光光束的能量密度与激光控制信号对应，无论激光器输出的光束质量如何变化，都可以通过调节产生所需能量密度的第一激光光束。激光强度分布即激光能量密度参数直接影响光斑尺寸。具体点，控制模块100确定所需激光光束的能量密度，即可对激光器产生的激光光束进行调整以得到所需能量密度的第一激光光束，因此本实施例中激光器虽然长期工作会导致光束质量变化，但不会影响激光能量密度，也不会对工艺带来不确定的影响。通过激光光束调整模块300可以将第一激光光束调整为第二激光光束，第二激光光束为与光斑的设定尺寸对应的激光光束，即能量密度确定的第一激光光束被调节激光强度分布，从而转换为可以在后续汇聚形成设定尺寸光斑的第二激光光束，便于第二激光光束通过光学模块400汇聚并在衬底500上形成设定尺寸光斑，该设定尺寸光斑的能量密度与第一激光光束的能量密度相对应，因此激光光束调整模块300也是激光整形模块，用于对激光光束进行强度分布整形以得到设定尺寸光斑对应的激光光束。在此激光强度分布可以通过激光能量密度进行表征。
本实施例中，激光退火装置的激光器可输出不同频率和能量的激光光束，也可始终输出固定频率和能量的激光光束，在需要对衬底500进行不同程度的退火时，只需要根据激光控制信号将第一激光光束的激光强度分布调节为设定退火模式所对应的激光强度分布，最终即可形成与第一激光光束对应的光斑，进而对衬底500进行相应程度的退火。无需采用调节激光器光强强弱的方式实现不同程度的退火，而激光器光强与激光器产率相关，因此无需频繁调节激光器的产率，保证了激光器产率最大化利用，还保证了激光退火装置的工艺稳定性，并减少维修维护对机台光斑的影响。
本实施例中，控制模块输出激光控制信号以使激光光束发生模块产生第一激光光束，得到激光控制信号所需能量密度的激光光束，控制模块还输出可动机构参数以使激光光束调整模块将第一激光光束的激光强度分布进行调整以转换为第二激光光束，以得到设定尺寸光斑所对应的激光光束，光学模块对第二激光光束进行汇聚即可在对应设置的衬底上形成与激光控制信号对应的设定尺寸光斑。本实施例中，无论激光器输出的光束质量如何变化，均不会对第一激光光束产生影响，也不会给工艺带来不确定的影响；激光退火装置在需要对衬底进行不同程度的退火时，无需频繁调节激光器的产率，保证了激光器产率最大化利用，还保证了激光退火装置的工艺稳定性，并减少维修维护对机台光斑的影响；还实现了光斑尺寸动态可调。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选激光光束发生模块200包括：沿光束传播方向依次排布的激光器201，光束处理单元202，分光器203，激光角度调节结构204和扩束单元205。可选激光角度调节结构204包括：沿光束传播方向依次排布的反射角度调节单元204a，准直单元204b和快门控制单元204c。
本实施例中，激光器201用于产生一束或多束可变频率可变能量的偏振激光光束，光束处理单元202对激光器201产生的初始激光光束进行光强调节并传输至分光器203。经过光束处理单元202调节后的激光光束进入分光器203，分光后激光光束的大部分进入激光角度调节结构204，可选另一小部分进入一能量探测器206，能量探测器206探测此时激光能量，并将探测结果输入至控制模块100，控制模块100根据探测结果对初始激光光束进行调节，使得激光能量保持一致。
激光角度调节结构204的反射角度调节单元204a通过角度调节使得激光光束反射传输至准直单元204b，准直单元204b将激光光束转换为平行光，使得激光光束最大效率的耦合进入快门控制单元204c，快门控制单元204c控制平行激光光束的进光量。经过激光角度调节结构204调解的平行激光光束进入扩束单元205，扩束单元205将平行输入光束的直径扩大至较大的平行输出光束，实现了平行光束直径扩大，便于后续对激光光束进行整形。需要说明的是，控制模块100还与快门控制单元204c电连接，用于进行快门控制，实现对激光光束进光量的控制。
示例性的，在上述技术方案的基础上，参考图2所示可选激光光束调整模块300包括：第一旋转机构301和柱面微透镜阵列镜组302；第一旋转机构301分别与控制模块100和柱面微透镜阵列镜组302连接，用于根据可动机构参数控制柱面微透镜阵列镜组302旋转以调节柱面微透镜阵列镜组302的角度。可选柱面微透镜阵列镜组302包括：平面相对设置的两个柱面微透镜阵列。可选第一旋转机构301包括电机或高精度运动组件。
本实施例中，柱面微透镜阵列镜组302包括多个柱面微透镜阵列，具体可选包括平面相对设置的两个相同的柱面微透镜阵列。第一旋转机构301为控制柱面微透镜阵列镜组302机动的配套旋转装置的集合，保证了柱面微透镜阵列镜组302中多个柱面微透镜阵列始终保持相对位置并整体旋转，旋转过程中要求柱面微透镜阵列镜组302中多个柱面微透镜阵列的相对位置旋转误差小于0.05°。
本实施例中，可动机构参数为与光斑尺寸相关的参数，具体的，用户输入所需光斑尺寸后，控制模块100根据用户输入的光斑信息计算得出柱面微透镜阵列镜组的旋转角度，则可动机构参数中包含柱面微透镜阵列镜组的旋转角度。第一旋转机构301根据可动机构参数控制柱面微透镜阵列镜组302旋转以将柱面微透镜阵列镜组302的角度调节为与可动机构参数中携带的柱面微透镜阵列镜组的夹角信息相同。
第一旋转机构301与柱面微透镜阵列镜组302集成在一起，第一旋转机构301旋转进而带动柱面微透镜阵列镜组302整体旋转，第一旋转机构301旋转的角度的变化可使柱面微透镜阵列镜组302的角度发生改变。第一旋转机构301的旋转角度需要根据实际需要的光斑长宽比进行选择，不同的角度可以使激光光斑在两个不同的轴向上产生不同的M^2因子。第一旋转机构301旋转过程中要求柱面微透镜阵列镜组302中各柱面微透镜阵列的相对位置旋转误差小于0.05°。
需要说明的是，光束传播方向即为光轴方向，本实施例中柱面微透镜阵列镜组302中平面相对设置的两个柱面微透镜阵列沿光轴方向排布。可选柱面微透镜阵列包括多个透镜，初始状态下，其中透镜的延伸方向与水平面垂直，多个透镜的排布方向与水平面平行。在其他实施例中还可选，初始状态下，柱面微透镜阵列中透镜的延伸方向与水平面平行，多个透镜的排布方向与水平面垂直。在此透镜的角度是指透镜旋转后的角度与初始透镜角度的夹角。透镜的旋转是指第一旋转机构301控制柱面微透镜阵列镜组302逆时针或顺时针旋转。
可选柱面微透镜阵列镜组302的旋转角度小于或等于45°。本领域技术人员可以理解，为了得到所需尺寸光斑，柱面微透镜阵列镜组的旋转角度不限于45°以内。
可选的，激光光束调整模块300还包括：柱面镜组303以及第二旋转机构304，柱面微透镜阵列镜组302和柱面镜组303沿光束传播方向依次排布；第二旋转机构304分别与控制模块100和柱面镜组303连接，用于根据可动机构参数控制柱面镜组303的镜片间隔。柱面镜组303包括：沿光束传播方向排布的至少一个凸透镜和至少一个凹透镜。可选第二旋转机构304包括电机或高精度运动组件。
本实施例中，柱面镜组303包括沿着光轴方向排布的可动柱面镜组，具体为沿着光轴方向排布的凸透镜和凹透镜。在实际的工艺实验过程中，第一旋转机构301的整组旋转以及柱面微透镜阵列镜组302中各柱面微透镜阵列之间的相对旋转均会造成光斑长度和宽度方向的变化，造成倍率损失，但对光斑长度方向的影响较小。因此需要改变放大倍率以校正光斑长度或宽度，在此可通过第二旋转机构304改变柱面镜组303的工作距改变放大倍率即焦距，实现可变焦，进而改变光斑长度或宽度。
可动机构参数为与光斑尺寸相关的参数，具体的，用户输入所需光斑尺寸后，控制模块100根据用户输入的光斑信息计算得出柱面镜组的透镜间距，则可动机构参数中包含柱面镜组的透镜间距。控制模块100根据外部输入需求的光斑信息，结合激光输出光功率，计算出最匹配的光斑长宽，再根据M^2匹配的计算结果计算焦深补偿的范围，通过第二旋转机构304改变柱面镜组303的工作距，补偿由旋转柱面微透镜阵列镜组302造成的倍率损失，具体的柱面镜组303的工作距与焦距相关，调节工作距即实现可变焦。具体的，可选第二旋转机构包括电机或高精度运动组件，利用电机或其他高精度运动组件实现在一定范围内连续改变柱面镜组303的镜片间隔，改变放大倍率。如此实现在一定范围内改变光斑长宽比且不影响最终的工艺焦深与均匀性。在此第二旋转机构304调整柱面镜组303的工作距，实现了对光斑长方向或宽方向的尺寸的校正。
可选柱面镜组303的镜片间隔小于或等于10毫米。具体的，第二旋转机构304控制柱面镜组303的工作距的间隔不超过10毫米。
可选设定尺寸光斑的长宽比为30:1或15:1，则该激光退火装置可以生成3mm*0.1mm及3mm*0.2mm等不同的光斑尺寸。图3为实际曝光产生的3mm*0.1mm的光斑形貌，其中实际光斑长度为3mm，实际光斑宽度为0.095mm。图4为实际曝光产生的3mm*0.2mm的光斑形貌，其中实际光斑长度为3.1mm，实际光斑宽度为0.21mm。显然，实际光斑形貌与设定光斑尺寸非常接近，可看做为形成了指定尺寸光斑。在激光路径从3mm*0.1mm切换至3mm*0.2mm的过程中，光斑长宽比从30：1切换到15：1，相应的同水平光轴的夹角变换了1.90°，由于旋转角范围较小，可以近似的认为从1.91°至3.81°的旋转过程中光斑轮廓的长宽比可以从30：1至15：1线性的发生改变。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选光学模块400包括反射镜401和汇聚镜组402。反射镜401对第二激光光束进行反射，汇聚镜组402对反射的第二激光光束进行汇聚以在衬底500上形成设定尺寸光斑，该光斑的设定尺寸与激光控制信号对应。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选激光退火装置的控制模块100包括外部输入控制器101、曝光控制器102、环境控制单元103和激光器控制器104。
外部输入控制器101用于接收外部输入的能量密度并以此控制激光器201发出激光光束。曝光控制器102用于控制激光器201的频率、功率及光路中的可动机构参数，还用于监控环境，电气等相关参数，保证整机工作在安全可靠的状态。环境控制单元103分别与激光器201和激光器控制器104电连接，用于探测激光器201的工作环境如温度参数等，并将探测结果返回至激光器控制器104。激光器控制器104根据环境控制单元103和能量探测器206的输出结果控制激光器201工作。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选还包括：机台600。衬底500放置在机台600上，机台600移动带动其上衬底500运动，进而使得指定大小的激光光斑对衬底500进行退火。
综上所述，本实施例提供的激光退火装置增加了包含变焦结构的可动光束整形单元即激光光束调整模块，能够根据工艺需求，切换光斑尺寸并完成退火工艺，同时根据设定的功率密度，切换照明输出的光斑尺寸，保证对光源尽可能高的利用率。本实施例具有如下有益效果：输出的激光能量可控，可以针对不同工况进行适配，提升了产品的工艺适应范围，满足了更多的客户需求；能够保证整体的输出光斑质量不受激光器长期工作后输出质量的影响，保证了产品全生命周期的工艺稳定性，并减少维修维护对机台光斑的影响；现有技术中，不同光斑长宽比导致进入镜头的光学常数变化，造成单一轴向的焦深减小，并可能在最终像面上造成均匀性的变化，与现有技术相比，还避免长宽比改变带来的物理光学效应，保证各种尺寸范围下激光光斑的均匀性，提升了整个激光退火装置的焦深范围，提高了整体的工艺均匀性，避免了产率提升带来的工艺适应性下降。
需要说明的是，本发明实施例中退火模式、光斑长宽比数值均是具体示例，并不限定于此，激光退火装置的结构也仅为简单描述，其中各个部件的具体结构不再赘述，任意一种可实现其功能的部件均落入本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (14)

1.一种激光退火装置，包括：控制模块，激光光束发生模块和光学模块，其特征在于，还包括：激光光束调整模块；
所述激光光束发生模块与所述控制模块电连接，用于根据所述控制模块输出的激光控制信号产生第一激光光束；
所述激光光束调整模块与所述控制模块电连接，用于根据所述控制模块输出的可动机构参数对所述第一激光光束的激光强度分布进行调整以转换为第二激光光束；
所述光学模块用于对所述第二激光光束进行汇聚以在对应设置的衬底上形成与所述激光控制信号对应的光斑。
2.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光光束调整模块包括：第一旋转机构和柱面微透镜阵列镜组；
所述第一旋转机构分别与所述控制模块和所述柱面微透镜阵列镜组连接，用于根据所述可动机构参数控制所述柱面微透镜阵列镜组旋转以调节所述柱面微透镜阵列镜组的角度。
3.根据权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述柱面微透镜阵列镜组包括：平面相对设置的两个柱面微透镜阵列。
4.根据权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一旋转机构包括电机或高精度运动组件。
5.根据权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述柱面微透镜阵列镜组的旋转角度小于或等于45°。
6.根据权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光光束调整模块还包括：柱面镜组以及第二旋转机构，所述柱面微透镜阵列镜组和所述柱面镜组沿光束传播方向依次排布；
所述第二旋转机构分别与所述控制模块和所述柱面镜组连接，用于根据所述可动机构参数控制所述柱面镜组的镜片间隔。
7.根据权利要求6所述的激光退火装置，其特征在于，所述柱面镜组包括：沿所述光束传播方向排布的至少一个凸透镜和至少一个凹透镜。
8.根据权利要求6所述的激光退火装置，其特征在于，所述第二旋转机构包括电机或高精度运动组件。
9.根据权利要求6所述的激光退火装置，其特征在于，所述柱面镜组的镜片间隔小于或等于10毫米。
10.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光光束发生模块包括：沿光束传播方向依次排布的激光器，光束处理单元，分光器，激光角度调节结构和扩束单元。
11.根据权利要求10所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光角度调节结构包括：沿所述光束传播方向依次排布的反射角度调节单元，准直单元和快门控制单元。
12.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光控制信号包括激光功率密度和激光频率。
13.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述光学模块包括反射镜和汇聚镜组。
14.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述光斑的长宽比为30:1或15:1。
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