TWI272149B - Laser scanning apparatus and methods for thermal processing - Google Patents

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TWI272149B
TWI272149B TW094101534A TW94101534A TWI272149B TW I272149 B TWI272149 B TW I272149B TW 094101534 A TW094101534 A TW 094101534A TW 94101534 A TW94101534 A TW 94101534A TW I272149 B TWI272149 B TW I272149B
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Description

1272149 九、發明說明： 【發明所屬之技彳财减威】 本申請案係提申於2〇〇2年11月6日之共同審查申請案 (序號10/287,864)的部分繼續申請案。 5 發明領域 本發明係有關用於基板熱處理之雷射掃瞄裝置及方 法’且特別在其上形成積體元件或電路之半導體基板。 L 才支冬餘】 發明背景 1〇 製造積體電路(ICs)包含使一半導體基板經過諸如光阻 蜜布，微景彡曝光，光阻顯影，餘刻，拋光及加熱或“熱處理，， 之數種製程。在某些應用，熱處理係用來活化基板摻雜區 域(如源極及汲極區域）之摻雜物。熱處理包括不同加熱（或 冷卻）技術，諸如快速熱退火(RTA)及雷射熱處理(LTp)。當 15使用雷射進行熱處理，該技術有時稱為“射處理，，或“雷射退 20 境）溫度。 用於半導體基板之雷射處理之不同技術及系統係已熟 知並用於㈣電路(IC)製造n射處理較佳地在單一循 環中完成，使材料的溫度退火至退火溫度再降回起始(如環 若該活化或退火等所需之熱 得到。利用一
或以下’可實質的改善1(^的表現。少於— 間’已可利用一脈衝雷射均勻地仏# _ , 5 1272149 在U.s. Patent Νο· Μ%，· B1，標題為“L_ 几咖I Pn>cessing ApparatusandMeih〇d，，中說明。然而在較短之輕 射脈衝，可被熱處理的區域較窄，且該電路元件本身會較 易造成本身溫度差異。例如，—存在於厚場氧化層絕緣體 5上之夕晶石夕導體較在石夕晶圓表面之淺層接合更快速地被加 熱。 較長之輻射脈衝可得到較均勻的溫度分佈，其係由於 力”、、深度車乂深’且有較長之脈衝區間來橫向熱傳使該整個 電路溫度平均。然而，延長雷射脈衝長度使週期超過一微 10秒並超過5cm2或更多的電路面積是不切實際的，因為每個 脈衝的能量變得太高，且該雷射及其電源供應器所需提供 之高能量變得太大且昂貴。 另一種使用脈衝輻射的方法係使用連續輻射。一種利 用雷射二極體形式之連續輻射源熱處理裝置實施例，揭露 15 於 U.S· Patent Application No· 09/536,869，標題為 "Apparatus Having Line Source of Radiant Energy f〇r Exposing a Substrate，，，其中請書係在March 27, 2〇〇〇申請且 轉讓至和本申请書相同之受讓人。雷射二極體棒陣列可得 到100 W/cm範圍之輸出功率且可形成微米寬度之線影像。 20其轉換電力至輻射亦非常有效率。此外，因為棒中有許多 各在些許差異波長下操作之二極體，其可形成一均勻的線 影像。 然而，使用二極體作為一連續輻射源僅適用於某些應 用。例如，當退火深度低於一微米之源極及閘極區域時， 6 1272149 該輕射以不被超過此深度之石夕所吸收為佳。不幸地，一操 '長為0.8¼米的典型雷射二極體，在室溫下石夕的吸收深 度為2H因此，應用於對基板最上層區域(如窄於-微 二)=熱處理，A部分之二極體基輻财透歸 超過所需或所欲之度。 此曰彡日力0所需之總電力。雖然可 本就很複雜的複雜度。’增’其更增加了製程中原 【發明内容】 發明概要 l〇 15 2〇 本發明之-觀點為詩熱處壤_基板之—區域的裝 =該裝置包括—可提供具有第1束強度曲線且具有適 二熱該基板區域波長之連_4之連_射源。在該 =輻射光源後段配置-光學“使其接受該輻射光並形 弟-Mt光，其《基板上形t影像。在—實施具體 列中’該影像為-線影像。該裝h包括—適於支樓該基 反之载台。至少該光學純及該^其巾之―，係適於沿 T晦方向對縣板掃㈣影像，，㈣嫌衝加熱該區域 至一足夠處理該區域之溫度。 本發明之另-觀點為-種熱處理一基板之一區域的方 决。該方法包括產生-具有可加％基板區域波長之連續 私射光，再沿_方向掃㈣韓〜蓋之區域，㈣區域 中各點接受一可處理該基板區域之熱〜 圖式簡單說明 第1Α圖為本發明裝置一般具趲例之簡圖； 7 1272149 第1B圖說明一由第1A圖之裝置在基板上形成具有長 尺寸L1及短尺寸L2之理想線影像之實施具體例； 第1C圖為一二維圖代表依實際線影像伴隨之強度分 佈。 5 第1D圖為第1Α圖裝置之光學系統實施具體例的簡 圖，其包括圓錐鏡來在基板上形成線影像； 第2A圖為一簡圖說明第1A圖中雷射掃瞄裝置之實施 具體例，其更包括配置於輻射源和光學系統間之光轉換器； • 第2B圖為一簡圖說明在第2A圖中之光轉換器如何改 10 變輻射光之射束強度曲線； 第2C圖為一包括平坦高斯射束強度曲線轉換器之轉換 器/光學系統實施具體例之截面圖； 第2D圖為一由第2C圖之轉換器/光學系統形成之非周 I. ~ 邊暗角均勻之輻射光之示範射束強度曲線之圖； 15 第2E圖為類似第2D圖由周邊暗角光圈移除邊緣光束 來降低影像端點之強度峰； ® 第3圖為一類似於第1A圖之裝置的簡圖，其額外元件代 表本發明不同之實施具體例； 第4圖說明第3圖之反射輻射光監視器之實施具體例其 20 入射角Φ等於或接近0° ; 第5圖為第3圖之用來測量基板上掃瞄影像100位置或 附近溫度之分析系統300實施具體例的詳細放大圖。 第6圖為在1410 °C溫度下強度對溫度之黑體溫度曲線 (圖），其溫度為較用來來活化一半導體電晶體之源極及汲極 8 1272149 區域中摻雜物的溫度稍高； 第7圖為一在光栅圖案相對於光柵圖案特徵顯示幻度
方向平面具有入射及反射雷射光具有校準特徵的基板詳細 放大等角圖； 5 第8圖纟w製10·6微米波長雷射輻射光由以下表面反射 之p及s偏振方向反射率對入射角的圖⑻純矽，⑼在矽頂端 之0.5微米氧化絕緣層，（c)在矽上〇·5微米氧化絕緣層頂端 〇·1微米之多晶矽流道，及(d)無限深之矽氧化層； 第9圖為用來處理在其上形成之栅圖案半導體晶圓形 1〇式基板6〇之本發明裝置具體例的俯視圖，說明該基板在最 佳輻射光結構中操作； 第10圖為一基板之平面圖說明一在基板表面上折行掃 瞄影像之圖案； 第11圖為一光學系統實施具體例之截面圖，其包括 15 可動掃瞄鏡； 第12圖為四個基板在載台上具有影像旋轉及線性移動 的能力’在基板上產生·螺旋掃目苗圖案之平面圖· 弟13A及13B圖為基板之平面圖說明一交替光挪於
圖案’其中该知瞒路徑係由可使基板在掃目苗鄰近掃目苗路π 2〇 前冷卻的空間來分離； I 第14圖為本發明之裝置在螺旋掃目苗方法，光學择目》方 法及折行知目4方法在以基板/小時的模擬產量對以微和的 暫留時間之圖； 第15圖為一類似第1Α圖LTP系統之實施具體例的★羊衾 9 1272149 放大簡圖，其更包括配置來得到反射輻射光並將其導引回 到基板作為循環輻射光之循環光學系統； 第16圖為第15圖之循環光學系統實施具體例之截面 圖，其包括直角反射鏡及收集/聚焦透鏡； 5 第17圖為在第16圖之循環光學系統實施具體例之變形 的截面圖，其中直角反射鏡相對於軸AR位移（偏離)AD的 量，造成介於直接入射及循環輻射光在入射角有一偏離； 第18圖為在第15圖循環光學系統之實施具體例的截面 簡圖，其包括放大接替組及屋脊鏡； 10 第19圖為在第15圖循環光學系統之另一實施具體例的 截面簡圖，其包括準直/聚焦透鏡及光栅；及 第20圖為一 LTP系統實施具體例之截面簡圖，其使用兩 雷射二極體陣列及配置兩相對之LTP光學系統在基板法線 對面相似的入射角來照射基板。 15 在圖式中描述之不同元件係僅用來表現而非照比例繪 製。其特定部分可能會被放大，而其他可能會被縮小。該 些圖式係用來說明本發明之不同實施方法，其可被熟習此 技藝者瞭解並使用。 I：實施方式：！ 20 較佳實施例之詳細說明 在以下本發明具體例之詳細說明，係參照伴隨本文中 之圖示，且其中利用說明本發明可行之特定具體例來顯 示。這些具體例被充分地仔細說明使熟習此技藝者可實行 本發明，且須知在不背離本發明的範疇下，可使用於其他 10 1272149 具體例並做其他改變。因此，以下詳細說明並不侷限於觀 念，本發明之範疇僅由附加之申請專利範圍所定義。 一般裝置及方法 第一A圖為本發明一般具體例之雷射掃瞄裝置的簡 5圖。第1A圖之裝置10包括沿一光軸A1放射，且在垂直該光 軸具有輸出功率及射束強度曲線P1連續輻射光14A之連續 輻射源12。在一實施具體例中，連續輻射光Ma被準直。同 樣在一實施具體例中，輻射源12為一雷射且輻射光14八為一 雷射光。此外在該實施具體例中，輻射源12為一操作波長 10介於約9.4微米至約10.8微米之二氧化碳(c〇2)雷射。c〇2^ 射可非常有效率將電能轉變為輻射，且其輸出光典型地非 常同調，因此曲線P1係為高斯曲線。此外，如下所述，由 忒C〇2田射產生之紅外線波長適於用來處理（如加熱）矽（如 諸如石夕晶81之絲板）。同樣在_實施具體例中，輻射光14A 15被線性偏振，且可操縱使在該基板上入射之輻射包括單_ P-偏振狀態P，或單-S-偏振狀US，或同時包含兩者。由於 輻射源12放射一連續輻射光14A，在此稱做“連續輻射源，，。 一般地，輻射光14A包括波長會被基板吸收之輻射，因此適 於用來加熱該基板。 20 裝置10亦包括在輻射源12後段將輻射光14A轉變(如聚 焦或成形）為輻射光14B之光學系統20。光學系統20可由單 元件組成（如單一透鏡元件或鏡子）或可由複數個元件組 成。在一實施具體例中，光學系統20亦可包括可動元件， 諸如一掃瞄鏡，以下將更詳細說明。 11 1272149 裝置10更包括一在光學系統20後段具有上表面42之夾 盔4〇。該夾盤40係由一壓板50支撐之載台46所支撐。在另 一貫施具體例中，夾盤40被併入至載台46中。在另一實施 具體例中，載台46係可動的。此外在一實施具體例中，基 5板载台46係可沿一或更多X，Y及Z軸轉動。夾盤上表面42 可支撐一具有表面法線N之表面62及截面63的基板60。 在一實施具體例中，基板60包括一參考特徵64來促進 該基板在裝置1〇之校準，如以下所述。在一實施具體例中， 芩考特徵64亦用來定義一單晶基板6〇之晶體方向。在一實 10施具體例中，基板60為一單晶矽晶圓，如在由 SEMl(Semiconductor Equipment and Materials International), 3081 Zanker Road，San Jose 95134 中得到之文獻#Semi M1 -600，“Specifications for Polished Monocrystalline
Silicon Wafers”中之說明，該文獻在此亦併入參考文獻。 15 此外在一實施具體例中，基板60包括在表面62上或附 近形成之源極及汲極區域66A及66B，作為在該基板中形成 之電路(如電晶體)67的一部分。在一實施具體例中，源極及 沒極區域66A及66B較淺’具有進入該基板一微米或更少的 深度。 2〇 軸A1和基板法線N形成一角度φ，其係輻射光14B(及軸 A1)和基板表面法線N之入射角為φ。在一實施具體例中， 輻射光14Β具有φ>0之入射角來確保由基板表面62反射之 輻射光不會回到輕射源12。一般地，該入射角可在〇。^ φ<90°的範圍改變。然而，在某些應用中，在此範圍内選擇 12 1272149 入射角來操作此裝置係有益的，如以下較詳細之說明。 在一貫施具體例中，裝置1〇更包括一經由連接線 (“線”)72連接至輻射源12,及經由線78連接至載台控制器76 之控制器70。載台控制器76經由線8〇連接至載台恥來控制 5該載台之移動。在一實施具體例中，控制器70經由訊號90， 92及94分別控制輻射源12，載台控制器76及光學系統2〇(如 其中各元件的移動）之操作。 在一貫施具體例中，一或多條線72，78，80及82為電 線且對應之一或更多訊號90，92及94為電子信號，然而在 1〇另一實施具體例中，上述之一或多條線為光纖且相對應之 上述一或更多訊號為光學訊號。 在一實施具體例中，控制器70為一諸如個人電腦或工 作站之電腦’可由諸如Dell Computer，Inc.，of Austin Texas 之多個熟知之電腦公司任一得到。控制器7〇較佳地包括諸 15如1ntel 系列，或AMD K6或K7處理器等任一之市 售微處理器，一適宜連接該處理器至諸如硬碟元件之記憶 元件之匯流排，及適宜之輸入及輸出元件（分別如鍵盤及顯 示器）。 繼續參照第1A圖，輻射光14B由光學系統20沿軸A1導 20引至基板表面62上。在一實施具體例中，光學系統20聚焦 該輻射光14B來在基板表面62上形成一影像1〇〇。在此使用 “影像”這個名詞，一般表示由輻射光14β在基板表面62上形 成之光的分佈。因此，影像1〇〇不需具有一般觀念中伴隨之 物體。此外，影像100不需由光束線照射至一點焦聚來形 13 1272149 成。例如，如同由圓形對稱的光學系統聚焦正常入射光形 成之圓形光點，影像100可由變形的光學系統20形成一橢圓 光點。同樣的，“影像，，這個名詞包括由基板60截斷光14B在 基板表面62上形成之光分佈。 5 影像1〇〇可具有任意數目之形狀，諸如正方形，長方 形’橢圓形等。同樣的，影像100可具有多樣不同之強度分 佈，包括相關均勻線影像之分佈。第1B圖說明在一實施具 體例中該影像100為一線影像。一理想化之線影像100具有 一長尺寸（長度)L1，一短尺寸（寬度)L2，及均勻（即平坦)之 1〇 強度。實際上，線影像100由於繞射效應而不完全均勻。 第1C圖為一二維圖表示實際線影像之強度分佈。在大 部分應用上，在短尺寸L2之積分截面只需在該長尺寸L1中 完全均勻’該積分強度分佈均勻度約在影像可操作部分之± 2% 〇 15 繼續參照第1B及1C圖，在一實施具體例中，長度L1範 圍約在1.25cm至4.4cm，而寬度約為50微米。在另一實施具 體例中，長度L1為lcm或更少。此外在一實施具體例中， 影像100具有50kW/cm2至150kW/cm2之強度範圍。該影像 100之強度係根據實際應用中所需提供至該基板的能量，該 20 影像寬度L2，及該影像掃瞄基板表面62之速度而定。 第1D圖為一包括圓錐鏡Ml，M2及M3來在該基板表面 上形成線影像之光學系統20的簡圖。第1D圖之光學系統20 說明一反射錐片段如何用於聚焦一準直光成一線影像 100。在一實施具體例中，光學系統2〇包含拋物面圓柱鏡片 14 1272149 段Ml及M2及一圓錐鏡片段M3。圓錐鏡片段m3具有和整個 圓錐鏡（以虛線顯示）相關之軸A3。軸A3係平行於準直光 14 A且在沿基板表面62之方向。 線影像100沿軸A3在基板表面62上形成。此光學系統20 5 之排列的好處，在於其產生具有在入射角φ最小變動且窄的 繞射極限影像10〇。該線影像之長度L1係主要根據入射角φ 和在y方向里測之準直光大小決定。不同之入射角ρ可由轉 換不同圓錐鏡片段（如鏡M3，）進入輻射光14A，路徑中來達 到。该影像100之長度L1可利用如可調整(如變焦）之準直透 10鏡1〇4變換準直光的大小來改變。 繼續參照第1D圖，在一實施具體例中，準直光14A，之 大小可利用抛物面圓柱鏡Mi及]y[2改變。準直光14A，首先由 該正向圓柱拋物面鏡M1帶至在點]?之線焦聚。在到達F點之 焦聚妯，被聚焦之光光14A，被負向拋物面圓柱鏡M2截斷來 15準直該被聚焦光。該兩圓柱拋物面鏡Ml及M2只改變該準直 光在Υ方向的覓度。因此，該抛物面鏡Ml及M2亦改變線影 像100在基板表面62上的長度。，但並不改變該線影像沿垂 直該圖平面之寬度L2。 同樣顯示於第1D圖為交替之拋物面鏡M1，和M2，，及一 20交替圓錐鏡娜，其全部可利用如標記之輪1〇6，刪及ιι〇, 被帶至在光學路徑中預先決定之固定位置。 再茶照第ΙΑ®，在-實施具體例中，基板表面62在影 像100下，利用在以下詳細說明之數個掃瞄圖案之一來掃 目田可由數種方法來達到掃目苗，包括移動基板載台46或輕 15 1272149 射光14B。因此，在此使用之“掃瞄，，這個名詞，包括該影像 相對於該基板表面之移動，不管是如何達到。 利用在基板表面62上掃瞄一連續輻射光，如在其上選 擇諸如區域66A及_之區域，或一或更多諸如電晶體似 5電路，在基板上各被照射的點得到一輻射脈衝。在一實施 具體例中使用一2〇〇微秒之暫留時間（即該影像停留在一點 之日守間）’在5亥基板上各被掃目苗的點在單次掃瞒得到之能量 的範圍為5 J/cm2至50 J/cm2。重疊掃瞄更增加總吸收之能 量。因此，裝置10可使一連續輻射源較一脈衝輻射源，更 10適用於提供一可控制具有足夠能量處理一或更多區域，如 電路或在其中或其上形成之電路元件，之脈衝或突發輻射 至基板上各點。在此使用之處理這個名詞，包括其他如選 擇性熔化，***再結晶及摻雜活化。 此外，在此使用之“處理，，這個名詞，並不包括雷射蒸 15鑛，基板之雷射清潔或光阻之光微影曝照及隨後之化學活 化。相反的，藉由實施例，影像100掃瞄基板6〇來提供足夠 之熱此來增加其一或更多區域之表面溫度，來處理該一或 更多區域，如在源極及汲極區域66A及66B活化摻雜或改變 該一或更多區域之晶體結構。在一熱處理之實施具體例 20中，裝置10被用於快速加熱及冷卻，並藉此活化淺的源極 及汲極區域，即諸如具有由表面62進入該基板一微米或更 少深度之電晶體67的源極及汲極區域66A及66B。 裝置10具有數個不同之具體例，將由以下討論之實施 例來說明。 16 1272149 具光轉換器之具體例 在一頒不於第1A圖之實施具體例中，輕射光MA之射 束強度曲線P1為不均Μ。此情況在當難和為完全同 步之雷射時可能會發生’且在鮮直域生之能量分佈為 =斯分佈，其導致和當轉直統影於基板上有類似之能 里刀佈在某二應用中，幸父希望能使輕射光Μ及MB為較 均勻分佈且改變其大小，使該影像⑽具有適於進行熱處理 δ亥應用之基板的強度分佈及大小。
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第2Α圖為—簡圖說明第1Α圖之雷射掃晦裝置10之實 施具體例，其更包括介於光學系統職連續輻射源以 間，沿軸Α1配置之光轉換器15〇。光轉換器15〇將具有射束 強度曲線Ρ1之㈣光14Α轉變為具有射束強度曲線ρ2之輕 射光14Α。在一實施具體例中，光轉換器15〇及光學系統％ 結合形成一單一轉換器/光學系統16〇。雖然光轉換器15〇顯 示被排列於光學系統2 0之前段，其亦可被排列於在其後段。 第2Β圖為一簡圖說明光轉換器15〇如何將具有射束強 度曲線Ρ1之輻射光14Α轉變為具有射束強度曲線ρ2之輻射 光14Α。輕射光14Α及14Α’顯示由光束17〇組成，其光束距 離係有關於該輻射光中相對之強度分佈。光轉換器15〇調整 2〇 光束70之相對距離（即密度）來改變輻射光14Α之射束強度 曲線Ρ1形成具有射束強度曲線Ρ2之輻射光14Α，。在一實施 具體例中，光轉換器150為一折射，反射或折反射透鏡系統。 第2C圖為一具有一轉換器150將具有高斯射束強度曲 線Ρ1之輻射光14Α轉換為一平坦（即均勻）之射束強度曲線 17 1272149 P2之轉換益/光學系統160，及一形成聚焦輻射光14B和線影 像100之光學系統2〇的截面圖.。第2C圖之轉換器/聚焦系統 160包括圓桎透鏡L1至L5。在此，“透鏡，，可指個別透鏡元件 或一組透銳元件，即透鏡組。前兩個圓柱透鏡L1及L2係用 5來收縮輻射光l4A之直徑，而圓柱透鏡L3及L4用來增加該 輻射光至大約原本的大小，但因為透鏡中的球面相差造成 具有改k之輻射光射束強度曲線A14，。第五個圓柱透鏡l5 係作為光學系統2〇且相對其他透鏡被旋轉90。，所以其效力 在該圖平面之外。透鏡L5形成輻射光14B並依序在基板6〇 10 上形成線影像100。 在一實施具體例中，第2C圖之轉換器/光學系統16〇亦 包括一配置於透鏡L1前段之周邊暗角光圈18〇。此移除了入 射光14A之最外側光束，該光束在會被此系統之球面相差過 度矯正，其會另外造成在其他的平坦射束強度曲線邊緣之 強度突增。 第2D圖為一由典型的光轉換器15〇形成之非周邊暗角 均勻之輻射光14A，之示範射束強度曲線P2之圖。典型地， 一平坦射束強度曲線P2在其大部分長度具有一平坦部分 2〇〇,且在接近光束端點204包括強度峰21〇。藉由周邊暗角 20光圈I80移除光束較外側部分，此亦可得到較均勻之射束強 度曲線P2，如第2E圖所示。 雖然可利用周邊暗角輻射光14A之最外側光束來避免 光束端點204強度的增加，有時在光束端點附近強度的增加 來產生均勻加熱是所欲的。熱在光束端點2〇4係沿平行及垂 18 1272149 直線影像1〇〇(第1B圖）的方向損失。因此在光束端點2〇4具 有較鬲強度可幫助彌補較高的熱損失。此造成在影像丨〇 〇掃 目田该基板60時在基板有較均勻的溫度分佈曲線。 更多之具體例 5 第3圖為一類似於第1A圖之裝置10的簡圖，其更包括數 個位於橫越圖頂及基板60上方之額外元件。這些額外元件 不官疋單獨或不同的結合，已被包含來說明在本發明之額 外實施具體例。在以下各實施具體例中，必須有多少在第3 圖中介紹之額外元件來進行操作對熟習此技藝者係很清楚 1〇的，且無論在先前實施具體例中是否已被說明，在將被說 明之實施具體例中同樣需要。為了簡化，第3圖已被顯示來 包括所有在這些額外實施具體例中所需之元件，而這些實 施具體例中有些確實建立在先前說明之具體例。這些額外 實施具體例在以下被說明。 15 彦減器 參照第3圖’在—實施具體例中，裝置10包括-配置在 輻射源12後段之衰減器226，根據衰減器的位置，選擇性地 衰減輕射光14A，輕射光14A，或輕射光14B。在一實施具體 例中’輻射光MA在特定方向被偏振(如p，s或兩者結合、/ 2〇且哀減器226包括-可相對於輕射光之偏振光方向旋轉之 偏振光片227來減弱該光。在另一實施具體例中，觀器挪 包括至少-可動衰減渡片，或一具有數個衰減器元件之可 程控衰減盤。 在貝轭具體例十，衰減器226經由線228連接至控制 19 1272149 器70，且由該控制器之訊號229來控制。 四分之一波片 在另一實施具體例中，輻射光14八為線性偏振光，且裝 置10包括一四分之一波片230於輻射源12之後段來將線性 5偏振光轉變為圓形偏振光。四分之一波片230在包括偏振光 片227的實施具體例中結合衰減器226 一起作用，來避免由 基板表面62反射或分散之輻射光返回輻射源。特別地，在 返回路從上’被反射之圓形偏振輻射光被轉變為線性偏振 光，其再被偏振光片227阻擋。此配置在入射角φ為或接近 10零（即在或接近垂直入射）時特別的有用。 光能量監視系統 在另一實施具體例中，裝置10包括一在輻射源12後段 沿軸Α1配置之光能量監視系統25〇來監視個別光束之能 1。系統250經由線252連接至控制器70，且提共至該控制 15器代表偵測之光能量的訊號。 折疊鏡 在另一貫施具體例中，裝置1〇包括一折疊鏡26〇使該些 裝置更緊您或形成特定之裝置構造。在一實施具體例中， 折疊鏡260係為可動來調整光14Α，的方向。 20 此外在一實施具體例中，折疊鏡260經由線262連接至 控制器70，且由該控制器之訊號264來控制。 反射輻射光監視器
Ik績參照苐3圖，在另一實施具體例中，裝置包括配 置一反射輻射光監視器280來得到由基板表面62反射之輻 20 1272149 射光281。監視器280經由線282連接至控制器70，並提供一 代表其偵測之反射輻射光281之量的訊號284至該控制器。 第4圖說明一反射輻射光監視器280之實施具體例，其 用於一裝置10其入射角φ(第1或2八圖）等於或接近〇。的實施 5具體例中。反射輻射光監視器280使用一沿軸A1之分光器 285來導引一小部分之反射輻射光281(第3圖）至一偵測器 287。&視裔280經由線282連接至控制器70，並提供一代表 其偵測之輻射光的訊號284至該控制器。在一實施具體例 中，用來聚焦反射輻射光281之聚焦透鏡290被包括至偵測 10 器287中。 反射輻射光監視器280具有數種應用。在一種操作模式 中，影像100盡可能被做得报小，並偵測該反射輻射光監視 器訊號284中之訊號差異。此訊號再被用來確定橫越該基板 之反射率差異。此操作模式需要偵測器（如偵測器287)之反 15應時間等於或小於掃瞄光之暫留時間。藉由調整入射角中， 调整入射光14Β之偏振方向或同時兩者使反射率最小。 在操作之第二模式，由光能量監視系統250之光能量監 視訊號254(第3圖），#口該輻射光監視訊號284結合來精確的 測量吸之收輻射光量。在輻射光刚中之能量再被調整來保 20 持固定的吸收輻射。 在知作之第二模式，該反射輻射光監視訊號284和一臨 $值比較，超過該臨界值之訊號被作為警告有不希望的異 常發生，需要更進-步的調查。在一實施具體例中，相關 於反射幸田射光中之差異數據被存檔（如儲存於控制器川 21 1272149 中），在基板處理完成後，順著對應之基板識別碼可幫助決 定任何異常造成的原因。 分析系統 在許多熱處理中，瞭解被處理表面之最高溫度或溫度_ 5時間曲線是有幫助的。例如，在接合退火的情況中，在LTP 柃需要非常接近地控制達到最高溫度。接近的控制係利用 所偵測之溫度來控制該連續輻射光源之輸出功率來達到。 理想地，這種控制系統反應性能較掃瞄影像之暫留時間為 快，或大約相等。 1〇 因此，再蒼照第3圖，在另一實施具體例中，裝置1〇包 括一和基板60通聯之分析系統300。分析系統3〇〇經由線3〇2 連接至控制器70，並適於進行特定分析運作，諸如測量基 板62之溫度。分析系統3〇〇提供諸如基板溫度之分析量測的 訊號304至該控制器。 15 再參如、弟4圖，當入射角Φ為或接近〇。，分析系統3〇〇 被旋轉出聚焦光學系統20之路徑。 第5圖為一貫施具體例中，用來測量掃瞄影像位置 或附近溫度之分析系統300的詳細放大圖。第5圖之系統3〇〇 包括一沿軸A2之收集透鏡340來收集放射之輕射光31〇，及 20 一用來分離收集之輻射光31〇，並導引該輻射光至經由線 302A及302B分別連接至控制器70之兩偵測器35〇八及35〇b 之分光器346。偵測器350A及350B偵測輻射光31〇不同之光 譜帶。 一種非常簡單的分析系統300配置包括一單一偵測 22 1272149 器，諸如一矽偵測器350A，將其對準使其得到輻射光後緣 最熱的點（弟3圖）。通常由此摘測器得到之訊號3Q4會變化， 因為在該基板上影像100遇到不同之薄膜（未顯示）具有不同 的反射率。例如，矽，氧化矽及在氧化層上之薄的多晶矽 5溥膜，在垂直入射方向都具有不同反射率並導致不同的熱 輕射率。 一種處理這種問題的方法為在一給定的時間間距中， 只利用得到之最高訊號來推算溫度。這種近似方法改善了 因為減少偵測器反應時間的準確性。 10 繼續參照第5圖，在一實施具體例中，收集透鏡340被 聚焦在影像100之後緣（朝箭頭354的方向移動）來收集由基 板60上最熱的點放射之輻射光310。因此，基板60上最熱（即 最高）的溫度可直接被監視或控制。控制基板的溫度可由數 種方法來完成，包括利用改變連續輻射源12的能量，利用 15 調整衰減器226(第3圖），利用改變基板掃瞄速度或影像掃瞄 速度’或其任意的結合。 基板60的溫度可由在單一波長監視放射之輻射光 31〇 ’提供整個表面62具有相同熱輻射率來量測。若基板62 被圖案化，該溫度可由在該掃瞄操作時監視介於兩相近空 20 間波長來量測，假定該熱輻射率並不隨波長急速改變。 第6圖為在1410°C溫度下強度對溫度之黑體溫度曲線 (圖），其溫度為在某些定熱處理應用使用之上限，來活化一 半導體電晶體之源極及汲極區域中摻雜物，如電晶體67之 區域66A及66B(第3圖）。可由第6圖看出，接近1410°C的溫 23 1272149 度可利用石夕偵測器陣列中偵測器35〇A及350B，在0.8微米及 1.0微米監視。使用偵測器陣列和單一偵測器比較起來，其 優點為前者可沿及橫越影像100取得許多溫度，使任何不均 勻或不規則之溫度可迅速被發現。在一有關於活化源極及 5 汲極區域66Α及66Β中摻雜物之實施具體例中，需要提升溫 度至140(TC溫度且最高溫度之點到點差異小於1(rc。 在控制溫度於1400°C範圍，兩光譜區域可能由5〇〇nm 至800nm及由800nm至1100nm。由兩偵測器之訊號比例係精 確地和溫度相關，在此假定在基板表面上不同的材料之兩 10 光譜區域的熱輻射率並無相當大的差異。利用由矽偵測器 350八及3506得到之訊號304八及3046比例來控制溫度，使其 相對容易達到一具有大約等於暫留時間之反應時間的控制 迴路頻寬。 一種代替的接近方法係使用偵測器陣列形式之债測器 15 350A及350B，其中兩種陣列在相同的基板區域上顯影但使 用不同之光譜區域。此種配置可得到處理區域之溫度曲線 且袁南溫度及溫度不均勻皆可精確地確定。此種配置亦可 均勻地調整該射束強度曲線。在此配置可使使用石夕债測器 控制迴路頻寬具有大約等於暫留時間之反應時間。 20 另一種補償在該基板上遇到不同熱輻射率薄膜的方 法，係配置分析系統300使其利用p-偏振輻射光在一接近石夕 的Brewster’s angle之角度下觀察。在此情況，由Brewster，s angle計算和分析系統300感測之波長相關之波長。由於在 Brewster’s angle之吸收係數非常接近單一，所以亦為該熱 24 1272149 幸昌射率。在一實施具體例中’此方法和利用兩侧陣列在 兩鄰近波長取訊號比例的方法相結合。在此情況，包含分 析系統之觀察軸的平面會垂私包含糾光i4B及反射 輻射光281的平面，如第7圖所示。 5 料影像可在絲上A以的產生均勻加熱。然 而，繞射及在光學鏈中許多可能的缺陷，會干擾影像的形 成且造成諸如不均勻地加熱之無法預期的結果。因此，極 需要-内建影像監視线來直接量测影像中之能量均句 度。 10 帛5圖說明-影像監視系統36〇之實施具體例。在一實 施具體例巾，影像監㈣統被配置在掃料徑上且在由 基板表面62定義之平面PS中。影像監視系統細包括一朝向 掃猫路徑之孔洞362，及一在孔洞後方之制器撕。操作 時，基板載台46被置於使侧料咕―典狀影像掃目苗 15時，可取樣代表基板上的點可被看見之影像1〇〇。影像監視 系統360經由線366連接至控㈣7〇，並提供—代表積測之 幸昌射光的訊號368至控制器。 〜像。卩刀之取樣提供決定影像強度曲線(如第1C圖）所 需之數據，其可再決定基板加熱之均勻性。 20 基板預校準器 再蒼照第3圖，在某些例子，基板6〇需在一預先決定方 向置於夾盤4Q。例如，基板6G可為結晶體(如-結晶石夕晶 片）°發明人已發現使職晶體的基板在熱處理的應用，通 常傾向相對於影像1〇〇校準晶體軸於選定之方向使處理最 25 1272149 佳化。 據此，在一貫施具體例中，裝置10包括一預校準器376 經由線378連接至控制㈣。預校準器讲接受—基板⑼並 利用定位諸如-平面或一缺口之參考特徵64將其校準至一 5 $考位置PR ’並移動(如轉動）該基板直到該參考特徵校準選 定之方向使處理最佳化。當該基板被校準時訊號380被傳送 至控制器70。該基板隨後經由一作為連接載台及預校準器 376之基板控制器386，由預校準器傳送至載台4〇。基板控 制淼386經由線388連接至控制器7〇，並經由訊號39〇來控 10制。基板60再由和預校準器376上預校準一致的方向置於載 台40上。 測量吸收之輻射光 利用光能量監視系統250測量輻射光14A，14A，或14B 其中之一的能量，及由使用監視系統28〇量測反射輻射光 15 281之能1，可得到被基板60吸收之輻射光。此依序可使被 基板60吸收之輻射光保持固定，即使在掃瞄時基板表面62 之反射率改變情況下。在一實施具體例中，储固定之每 單位面積吸收能量，係由調整一或更多下列之說明達成： 連續輕射源12之輸出功率；影像100在基板表面62上掃目苗之 20速度；及衰減器226之衰減程度。 在-貫施具體例中，固定之每單位面積吸收能量係由 改變輻射光MB之偏振來達成，諸如利用轉動四分之一波片 230。在另一貫施具體例中，每單位面積吸收能量係由上述 說明之技術任-之結合來改變或保持固定。選定之紅外線 26 1272149 波長在石夕中之吸收度元全隨改善石夕導電度之摻雜不純物而 增加。即使在室温下該入射輻射光達到最小之吸收度，任 何溫度的增加會增加其吸收度，因此產生一失控循環而快 速導致所有入射能量被只有數微米深的表面層所吸收。 5 0此，在―砍晶圓中加熱深度主要由熱财表面擴散
來決定，而非由室溫下紅外線波長之吸收深度。同樣的， 利用η-型或p-型不純物摻雜石夕增加室溫吸收度且更促進該 失控循環，導致材料在最初數微米強的吸收度。 位於或接近Brewster’s angle之入射角 1〇 在一實施具體例中，入射角φ被設定和Brewster，sangie 一致。在Brewster’s angle時所有p_偏振輻射光p(第3圖）在基 板60中被吸收。Brewster、angie係根據入射輻射光上材料 之折射率。例如，室溫下矽之Brewster，s &吨4為73 69。且波 長為λ=10·6微米。由於約30%之入射輻射光14β在垂直入射 15方向化=0)被反射，在位於或接近Brewster、angle使用p-偏 振幸S射光可頒者地減少母単位面積進行熱處理所需之功 率。使用諸如Brewster，s angle相對較大之入射角ψ亦會使影 像100在一方向變寬cos-〗(p，或垂直入射影像寬度之約3 5 倍。影像100聚焦之有效深度同樣被類似之要素所降低。 20 當基板60具有一部分不同的區域具有多層之表面62， 如在典型的半導體處理形成1(^的情況，最適於處理之角度 可由不同區域繪製反射率對入射角φ的圖來量測。一般可發 現p-偏振輕射光在每個基板接近Brewster’s angle的區域發 生最小的反射率。通常可發現一角度，或一小範圍角度在 27 1272149 各區域皆使反射率最小及相等。 在一貫施具體例中，入射角φ被限制在Brewster’s angle 周圍的角度範圍内。在上述BreWster’s angle為73.69。的實施 例中’該入射角9可被限制於65。及80。之間。 5 最佳之輻射光結構 在一實施具體例中，利用掃瞄影像1〇〇在表面62上熱處 理基板60，造成在基板表面上一很小體積的材料被加熱至 接近基板熔點的溫度。據此，在基板被加熱的區域產生了 大量的應力及應變。在一些情況下，此應力導致產生了擴 10展至表面62的非所欲之滑移平面。 同樣的’在一實施具體例中輻射光14α被偏振。在此情 況下’選擇相對於基板表面62之入射輻射光14Β的偏振方向 是實際的，如同入射輻射光14Β入射表面62的方向導致最有 效率的處理。此外，基板60之熱處理通常在基板已經歷許 15多其他會改變諸如結構及型態之基板性質的處理。 第7圖為一在其上形成圖案4〇〇的半導體晶圓形式之基 板60實施例詳細放大等角圖。在一實施具體例中，圖案4〇〇 包含線或邊404及406形成一具有沿X-及γ-方向走向的線/ 邊之網柵（即一Manhattan geometry)。線/邊404及406相當於 20多流道的邊緣，閘極及場氧化物隔離區域或1C晶片邊界。 一般來說，在1C晶片製造中，基板最常被連續的圖案化且 圖案彼此垂直。 因此，當基板（晶圓）6 0達到形成IC製程中退火或需要活 化源極及汲極區域66A及66B的時候，表面62已相當的複 28 1272149 雜。例如，在-典型的IC製程，表面62之一區域可能為純 矽，而表面之另一其他區域可能具有相對較厚之氧化矽隔 離溝，而表面之其他區域可能具有薄的多晶矽導體橫越該 厚的氧化溝。 5 據此，若不注意，影像100會由基板表面62之部分區域 被反射或繞射，且會在其他區域根據該表面結構被選擇性 地吸收，包括線/邊404及406之主要方向。此在輻射光14B 為偏振光之實施具體例中特別為真。其結果為不均勻的基 板加熱，其通常在熱處理中是不希望的。 10 因此，繼續參照第7圖，在本發明之一實施具體例中， 希望能找到一最佳之輻射光結構，即偏振方向，入射角屮， 掃瞄速度，及影像角Θ使輻射光14B在基板60上之吸收度差 異最小。此外更希望找到該最佳之輻射光結構使在基板中 產生的滑移平面最少。 15 由基板60反射之輻射光281中點到點的差異係由數個 因素所造成’包括薄膜成分差異，線/邊4〇4及406的數目及 比例，偏振方向之方位，及入射角φ。 繼續參照第7圖，定義一平面440使其包含輻射光14Β及 反射輻射光281。可利用輻射光MB照射基板，使由於線/ 20邊404及406的存在而造成之反射性差異最小，故平面440在 基板表面62上相交和線/邊4〇4及406成45。。該線影像的形成 使其長方向亦被校準至相同平面440或垂直此平面。因此， 不管入射角φ，介於線影像1〇〇及相對之線/邊404及406的影 像角Θ為45°。 29 1272149 由於基板表面62上不同的結構(如線/邊撕及鄉)造成 之反射輻射光281量的差異，可由明斷地選擇入射角φ更進 -步降低。例如’在形成作為Π分之電晶體的情況， 當基板60準備好來退火或活化源極及汲極區域66八及 5 66B，其典型地包含下述所有之型態：a),_，b)埋藏於石夕 中之氧化隔離體（如約0.5微米厚），如)在埋藏之氧化絕緣 體頂端之薄的（如0.1微米）多晶石夕流道。 第8圖為P-偏振輻射光？及8_偏振輻射光s，1〇 6微米波 長雷射輻射光，在上述為摻雜矽基板各型態頂端之室溫反 10射率，沿無限深矽氧化層之反射率的組圖。由第8圖可清楚 顯示反射率隨偏振和入射角中有很大的變化。 入射角φ介於約65。至約8〇。之p-偏振輻射光p(即在平面 440偏振），所有四種情況之反射率皆最小，且由各情況之 差異亦最小。因此，由約65。至約80。之入射角φ範圍特別適 15於裝置10來熱處理一半導體基板（如活化在矽基板之摻雜 區域）’因為其皆減少所需之總功率及被吸收輻射光中點到 點差異。 推雜物的存在或較高的溫度使矽更像金屬，並使相對 於Brewster’s angle之最小值移至較高的角度及較高之反射 20率。因此，對於摻雜基板及/或較高溫度，最適宜角度較室 /皿下為糝雜材料之得高。 第9圖為一用來處理半導體晶圓形式基板60之裝置10 的俯視等角圖，顯示在一最佳輻射光結構中操作該裝置。 晶圓60包括在其上形成之柵圖案400，各在栅中之正方形 30 1272149 468代表一 1C晶片（如第1A圖之電路67)。線影像1〇〇相對於 基板（β曰曰圓）表面62在向470掃瞄使影像角θ為45。。 計算晶體方向 如上所述，諸如單晶矽晶圓之晶體基板具有一晶體表 5面，其方向通常由在基板中相對於一主要晶體平面方向之 截面63處形成之參考特徵64(如一顯示於第9圖之缺口或平 面）來標示。该線影像100之掃瞒在一垂直掃目苗方向47〇(第9 圖）之方向474產生大的熱梯度及應力集中，其對於晶體基 板之結構完整有不利的效應。 10 繼續參照第9圖，石夕基板60在通常的情況下具有（1〇〇) 晶體方向，且線/邊404及406被校準和晶圓表面上兩主要晶 軸（100)及(010)成45。。一較佳之掃瞄方向係沿一主要晶軸 來減少在晶體中形成之滑移平面。因此該用來減少晶體中 滑移生成之較佳掃目苗方向，亦和矽基板在通常的情況下相 15對於線/邊404及406較佳之方向一致。若介於線影像100， 線/邊404及406,和晶軸（10⑺及(010)間保持固定之方向，則 相對於基板（晶圓）6 0之線影像掃瞄必須以線性方式（即向後 或向前）而非圓形或拱形方式進行。同樣的，由於較佳之特 疋掃目田方向需關於晶體方向，在一實施具體例中該基板在 20夾盤40上利用基板預校準器376(第3圖）來預校準。 利用小心地選擇介於基板晶軸（100)及(010)和掃瞄方 向470之方位’可減少在晶體基板中由於熱誘發應力而產生 滑移平面的可能性。最適宜之掃瞄方向由於熱梯度導致晶 格在其具有最大之滑移阻力，一般相信其係根據基板晶體 31 1272149 之本質而不同。然而，可由在—單晶基板之螺旋圖案中掃 晦影像觸並檢查該晶圓來決定那個方向，在發生滑移前承 雙最高之溫度梯絲實驗性地找到最適宜方向。 在一（_結糾晶圓形式之基板60中，最適宜掃猫方 5向被校準至（_基板晶格方向或和由線/邊4〇4及4〇6指示 之圖案柵方向成45。。此已由發明者利用在一螺旋圖案中掃 瞒-放射狀線影像1GG實驗證明，錢漸增加的最高溫度和 基，中心的距離為一函數關係。利用比較和晶軸之方向具 有最大抗滑移之方向可得到最適宜掃聪方向。 10 影像掃瞄 折行掃猫 第10圖為-基板之平面圖說明一在基板表面62上折行 (P改又向後及向剷或“χ_γ”)掃瞄影像1〇〇之圖案52〇，來在 〜像杈越之基板上各點產生短的熱脈衝 。掃瞄圖案520包括 5線性知瞄掃瞄片段522。折行掃瞄圖案520可由傳統的雙向 父4載台完成。然而，此載台典型地具有很大的重量並限制 了 /、加速犯力。若需要在一非常短的暫留時間（即該掃瞄影 象心在基板上特定點的時間），則傳統的載台會浪費很大量 之加速和減速時間。此載台亦佔用很大的空間 。例如，1〇〇 从米的光寬度暫留時間為10微秒需要10公尺/秒(m/s)之載 口速度。在一 k或9.8m/s2之加速，需要1.02秒及移動5.1公 尺來加速/減速。提供10.2公尺的空間給載台來加速及滅速 係並非所需。 光學掃g苗 32 1272149 在基板表面62上影像loo之掃瞄可，利用靜止基板並移 動影像，利用移動基板並保持影像靜止，或皆移動該基板 及影像來進行。 第Η圖為一光學系統20之實施具體例的截面圖，其包 括一可動掃瞄鏡260。可利用光學掃瞄達到非常高效率的加 速/減速速率（即載台所需移動來達到相同之掃瞄效果的速 率）。 鲁在第11圖之光學系統2〇中，輻射光14Α(或14Α，）由位於 由圓柱透鏡L10至L13形成之平場替續器光學系統2〇之光圈 1〇之掃瞄鏡260反射。在一實施具體例中，掃瞄鏡260和一經 由線542連接至控制器7〇之伺服馬達組件54〇來連結並驅 動，伺服馬達組件540係由控制器70送出並由線542傳送之 訊號544來控制。 光學系統20在基板表面62上掃瞄輻射光14Β形成一移 15動線影像100。載台46增加在各掃目苗後雙向掃目苗方向中基板 ^ 位置來覆蓋基板所需掃瞄區域。 在一實施具體例中，透鏡元件L10至L13係由ZnSe製 成’且可穿透由c〇2雷射放射之輻射光及由基板被加熱部分 放射之近-IR和可見輻射光之紅外線波長。此可使在掃瞄鏡 20 260之輻射光14A之路徑前段上放置雙色分光 器550,來分離 由用來加熱基板之長波長輻射光14A造成由基板放射之可 見及近IR波長之韓射光。 放射之輻射光310係用來監視並控制基板熱處理，且由 具有收集透鏡562及偵測器564，經由線568連接至控制器70 33 1272149 之光分析系統560。在一實施具體例中，姑 ;f 敌射之輻射光310 被過濾且被聚焦至一分離偵測陣列564ί 〇 θ 示一個）。和輻 射光量一致的訊號570由偵測器564偵測並細 、曰 、、、二由綠5 6 8被挺 供至控制器70。 5 雖然第11圖顯示輻射光14B具有一入粉 牙Γ角φ=〇，在另一 實施具體例中該人射角為cp>()。在-實施具體例中入射角 φ由適當地沿軸AR轉動基板載台46而改變。
光學掃猫之一優點為其可在非常高迷下進行，故在加 速及減速光束或載台浪費的時間最少。在市售之掃瞄光學 10 系統，可達到和8000g載台加速度等量之效果。 螺旋掃猫 在另一實施具體例中，影像100相對於基板6〇在一螺旋 圖案下掃目苗。第12圖為四個基板60在載台46上之平面圖， 其中該載台具有相對於影像100旋轉及線性移動的能力，來 15產生一螺旋掃目苗圖案604。該旋轉動作係旋轉中心61〇來旋 轉。同樣的，載台46可攜帶數個基板，顯示四個基板係因 為用來說明的原因。 在另一實施具體例中，載台46包括一線性載台612及一 旋轉載台614。螺旋掃瞄圖案604係經由結合基板之線性及 20旋轉動作來形成，因此各基板被該螺旋掃瞄圖案所覆蓋。 為了使各點在基板上停留的時間固定，該旋轉速率係和影 像100和旋轉中心61〇的距離成反比。螺旋掃瞄除了在起始 及終止處理外，具有無急速加速/減速的優點。據此，可利 用此配置實際得到短的暫留時間。另一個優點為數個基板 34 1272149 可在單一掃瞄操作中被處理。 交替光柵掃S苗 在基板60上於小鄰近路徑間距之折行圖案掃蹈影像 100會造成在基板掃猫片段端點過熱，其掃瞄片段端點係一 5片段剛完成且正開始另-片段時。在此情況，新的掃祕 徑片段開始的部分，因為剛完成之掃瞄路徑片段而具有一 顯著之熱梯度。此梯度增加了因新的掃瞄產生的溫度，除 非光束強度被適當地調整。此造成掃瞒時不易在橫越整個 基板達到均勻的最高溫度。 10 第13A及圖為基板60之平面圖說明一具有線性掃 瞄路徑片段702及704之交替光柵掃瞄路徑7〇〇。首先參照第 13A圖，在該交替光栅掃瞄路徑7〇〇中，先進行掃瞄路徑片 段702故介於鄰近掃瞄路徑之間具有一間隔7〇6。在一實施 具體例中，間隔706具有和該線掃瞄有效長度之正數倍數相 15等之尺寸。在一實施具體例中，間隔706的寬度係和影像100 之長度L1相同或接近。其次，參照至第13B圖，再進行掃瞄 路控片段704來填滿該些間隔。此掃瞄方法大量降低在近 距，連續掃瞄路徑片段造成的掃瞄路徑熱梯度，使其較容 易達到在橫越整個基板均勻的最高溫度。 20 掃目苗圖案之產量比車交 第14圖為螺旋掃瞄方法（曲線7 20)，光學掃瞄方法（曲線 724)及折行(χ_γ)掃瞄方法（曲線726)在一模擬產量（基板/小 時)對暫留時間（秒)之圖。此比較係假設一實施具體例中利 用5kW雷射作為連續輻射源，其係用來產生高斯光束且具 35 1272149 有100微米光束寬度L2之高斯影像100，在一重疊掃瞄路徑 掃瞄來達到約±2%之輻射光均勻度。 由圖，可看出該螺旋掃瞄方法在所有條件下皆具有較 佳之產量。然而，該螺旋掃瞄方法一次處理數片基板，因 此舄要一大面積來支樓4夾盤。例如，對四個之晶 圓，該表面直徑需大於約8〇〇mm。雖然此方法缺點是無法 維持介於該線掃瞄影像及該基板之晶體方向，故其無法對 一晶體基板保持最佳處理結構。 光學掃睹方法之產量幾乎和暫留時間無關，且較χ_γ 10載台掃瞄系統在短暫留時間需要高掃瞄速度時具有優勢。 循環光學系統 在本發明中’盡可能由連續輻射源12傳遞能量至基板 60是相當重要的。據此，簡單參照第19圖，其將於下文中 詳細說明，在一實施具體例中，輻射*14b在基板上具有大 15的入射角範圍。即光學系統20具有數個孔徑NA=sin014b，其 中eHb為由軸A1及輻射光146之較外側之光束15A或15B形 成之半角。注意由軸光束(軸Ai)及基板表面法線N形成之入 射角φΜΒ在此係稱為“中心角，，，其係為由輻射光14B提供之 角度範圍。 20 在一實施具體例中，可選擇該中心角014b來減少介於基 板上不同薄膜堆疊（未顯示）之間反射率的差異。 貝際上’由基板表面62反射之韓射光14部分是不容易 避免的。因此，本發明之一實施具體例包含捕捉反射輻射 光23R並再引導其回到基板作為“循環輻射光’’23RD，其可 36 1272149 被位於入射輻射光14B被反射處之基板所吸收。該循環輻射 光23RD更由提供額外熱能至一或更多基板區域(如第1圖之 區域66A，66B)來幫助退火製程的進行。 據此，現在參照第15圖，顯示本發明之一雷射掃瞄裝 5 置丨〇支實施具體例之詳細放大簡圖。第15圖之裝置10和其 在第1A圖中者相似，然而其更包括配置來得到反射輻射光 23R ’並將其導引回到基板作為循環輻射光23RD之循環光 學系統900。循環光學系統9〇〇係沿軸AR配置並和表面法線 N形成一角度cp23RD。為了使循環光學系統9〇〇得到最佳反射 10 之輻射光23R，在一實施具體例中角度cp23RD係和輻射光入 射角φΐ4Β相同。 需注意在本發明中，基板係由一輻射脈衝照射。如上 所述，該輻射“脈衝”係由輻射光14Β掃瞄基板，使基板所選 擇的部分在特定的時間，即光之暫留時間，暴露至該輻射 15 光14Β。嚴格來說，在具體例中具有循環光學系統900之裝 置10，反射輪射光23R實際上構成較由入射輻射光14Β伴隨 之脈衝更弱之第二脈衝。此第二脈衝時間上較第一脈衝延 遲AT^OPL/c的時間量，其中〇pl為反射輻射光23R回到基 板前，在循環光學系統900中行進之光學路徑長度，而〇為 20 光速(〜3xl08 m/s)。 由於OPL為一公尺或更少的等級，而脈衝之間的延遲 時間ΔΤ等級為10_9秒。當掃瞄速度等級為1公尺/秒(m/s)， 第一及第二脈衝在基板表面62上之空間分離為〜(1 m/s)(lCT9s)〜l(T9m，其在雷射退火的情況中係不明顯之空間 37 1272149 分離。因此，入射和反射輻射光有效地重疊，即他們在所 有貝務目的可同時到達基板相同的部位。因此，入射及反 射脈衝的結合造成單一加強能量之輻射光脈衝。換句話 說，在所有目的及用途，入射（第一）輻射光14B及循環（第二) 5輪射光23RD同時照射該基板(如在其上一或更多區域）。 第16圖為一循環光學系統900實施具體例之截面圖，其 包括一中空直角反射鏡910及一具有焦聚長度F，且和透鏡 沿軸AR至基板表面62距離一致之收集/聚焦透鏡916。中空 直角反射鏡910具有三個互相垂直相交之反射表面，雖然為 10 了簡化圖示’在第16圖中只顯示兩表面912及914。 在第16圖之循環光學系統900操作中，透鏡916收集反 射輻射平行光920。該平行光由該三個反射表面反射並以完 全相反的方向被導引回透鏡916，在軸AR的另一邊，作為 組成擔％輕射光23R之平行光920’。平行光920,由透鏡916 收集並再聚焦在基板表面62上原來的點321。 第17圖為在第16圖中說明之實施具體例之變形的截面 圖，其中直角反射鏡910相對於軸AR位移（偏離)△£>的量。 此造成反射輻射光23R及循環輻射光23RD在基板之入射角 有一偏離。注意該光束在基板上的位置仍然相同_只有入射 20角改變。介於兩光束之入射角相對的偏離可被利用來避免 反射輻射光行進回連續輻射源12(第15圖）。在此特定之一實 施具體例中，反射直角運用所有内部反射，因其無法維持 光束的偏振而非所欲。 第18圖為另一實施具體例之循環光學系統9〇〇之截面 38 1272149 圖。其由基板60沿軸AR依序包括一圓柱鏡950，一第一圓 柱透鏡352，一光圈954，第二圓柱透鏡956，及一被稱為偏 振光保持屋脊鏡960。在一實施具體例中，第一及第二圓柱 透鏡352及956具有相同之焦聚長度(F，），且分離至其兩倍焦 5水長度(2F )並在其中半途IX構成一光圈954。屋脊鏡960位 於距圓柱透鏡956F’處且該屋脊鏡960朝向該卜偏振輻射光 反射之方向。 在第18圖之循環光學系統900實施具體例中，係假定輻 射光14B被光學糸統2〇〇聚焦並在基板上形成影像第Μ 10圖）。圓柱鏡950得到並準直反射輻射光23R，其係再穿透圓 柱透鏡952及956。屋脊鏡960被配置來改變該輕射光方向回 來經過該圓柱透鏡，至該圓柱鏡，並回到該基板表面。相 對入射輕射光23傾斜屋脊鏡960決定改變方向入射之預熱 輻射光23RD至基板60上的角度。在一實施具體例中，偏振 15光保持屋脊鏡960包括一微小傾斜設計來避免循環輻射光 23RD回到連續輻射源12。回到雷射或雷射二極體共振腔之 輻射光會造成操作問題，諸如雷射輸出功率的不穩定。 第19圖為循環光學系統900另一實施具體例之截面 圖，其包括一準直/聚焦透鏡1050及一具有光柵表面1062之 20 光柵忉60。在一實施具體例中，透鏡1〇5〇為一高解析度， 具有第一及第二透鏡1070及1072之遠心替續透鏡及一位於 第一及第二透鏡間之孔徑光攔1074。此外在該實施具體例 中，透鏡1050在基板側具有焦聚長度F1且在光栅侧具有焦 聚長度F2，且該透鏡被配置使基板表面62位於離透鏡1070 39 1272149 々軸AR里測F1之距離，且光柵i _位於離透鏡術2沿轴从 量測F2之距離。該兩透鏡咖及職同樣被分離至和其兩 焦水長度總和相同的距離。 光栅表面1062較佳地適於使繞射反射輕射光23R中輕 射光波長最U匕，且限制該輻射光入射在光桃表面上被繞 射來沿入射路經返回。最佳之光柵週期？為p印λ/2^叫〇其中 λ為輻射光之波長，φ(3為相對於光柵表面法線Ng入射之光柵 的角度，且η為在光柵周圍介質之折射係數(對空氣時η=ι)。 光柵的目的係補償在基板上被傾斜之聚焦平面，其另一方 1〇面根據第19圖中介於點321及替續透鏡1〇5〇之軸平面距離 的量，會導致返回影像失焦。注意在此結構中，替續透鏡 1050 在-IX 操作，cpG=(p14B=cp23R=cp23RD 。一般 tancpG=Mtancp23R ’其中μ為由基板至光栅替續透鏡1〇5〇之放 大倍率。 15 操作中，反射輻射光23R利用遠心替續透鏡1050準直， 其包括透鏡1070及透鏡1072，其將輻射光帶至光柵表面 1062上之一焦點。光柵表面1〇62改變方向（或更精確地說， 繞射）該輻射光回到替續透鏡1050，其引導現在之循環輻射 光23RD回到基板表面62於或接近點321，其係反射輻射光 20 生成之處。 第19圖之具體例缺點為反射輻射光23R在光柵上形成 很小的影像，在特定時間後可能造成光柵最終炼化或其他 損壞。一會遭遇之類似問題係利用垂直入射鏡(未顯示）代替 光栅。因此，在利用第19圖中循環光學系統900之實施具體 40 1272149 例，操作裝置10時需小心。 第20圖為—用來退火基板60之雷射掃瞄裝置實施具體 例之截面簡圖’其中該些裝置使用具有分別結合二維雷射 一極體陣列輻射源12及12,，且分別沿軸A1及ΑΓ配置之兩 5光學系統20及20，。連續輻射光源12及12,皆有效地連接至控 制器70並分別放射輻射光14A及14A，。各輻射光係由相對之 光學系統20及20,接收。光學系統20及2〇,由和輻射光14B及 14B’產生相對應之輻射光14A及14A，依序在基板表面幻上 形成影像1〇〇及1〇〇,。 10 在一實施具體例中，光學系統20及20,至少彼此部分重 豐來在基板上形成影像1〇〇。在另一實施具體例中，影像1〇〇 及1〇〇’為線影像。在另一實施具體例中，至少一退火輻射 光14B及14B以φΜΒ及φΜΒ，的入射角入射至基板表面62，其 係在或接近石夕的Brewster，s anglecpB。 15 此配置減少了連續輻射源12及12,輸出高功率輻射光 14B及14B’的需求。在第20圖之裝置實施具體例並不侷限於 兩輻射光14及14B。一般的，任何合理的連續輻射源12， 12’，12，，，及相對之光學系統2〇，2〇,，2〇，，等的數目，可 被用來在基板表面62上形成相對之影像1〇〇，1〇〇,，1〇〇，， 2〇 等（如線影像）來達到所需之退火效果。 本發明許多特徵及優點已由詳細說明來具體說明，因 此，其意指由附加之申請專範圍來函蓋遵循本發明真正精 神及範疇說明之裝置所有特徵及優點。此外，由於在熟習 此技藝者會很快想到數種改良品及改變，故毋須限制本發 41 1272149 明在此說明之實際構造及操作。據此，其他具體例皆在附 加之申請專利範圍内。 L圖式簡單說明3 第1A圖為本發明裝置一般具體例之簡圖； 5 第1B圖說明一由第1A圖之裝置在基板上形成具有長 尺寸L1及短尺寸L2之理想線影像之實施具體例； 第1C圖為一二維圖代表依實際線影像伴隨之強度分 佈。 第1D圖為第1A圖裝置之光學系統實施具體例的簡 10 圖，其包括圓錐鏡來在基板上形成線影像； 第2A圖為一簡圖說明第1A圖中雷射掃瞄裝置之實施 具體例，其更包括配置於輻射源和光學系統間之光轉換器； 第2B圖為一簡圖說明在第2A圖中之光轉換器如何改 變輻射光之射束強度曲線； 15 第2C圖為一包括平坦高斯射束強度曲線轉換器之轉換 器/光學系統實施具體例之截面圖； 第2D圖為一由第2C圖之轉換器/光學系統形成之非周 邊暗角均勾之輻射光之示範射束強度曲線之圖； 第2E圖為類似第2D圖由周邊暗角光圈移除邊緣光束 20 來降低影像端點之強度峰； 第3圖為一類似於第1A圖之裝置的簡圖，其額外元件代 表本發明不同之實施具體例； 第4圖說明第3圖之反射輻射光監視器之實施具體例其 入射角Φ等於或接近0° ; 42 1272149 第5圖為第3圖之用來測量基板上掃瞒影像1〇〇位置或 附近，度之分析系統實施具體例的壯放大圖。 第6圖為在141〇c溫度下強度對溫度之黑體溫度曲線 (圖），其溫度為較用來來活化—半導體電晶體之源極及沒極 5區域中摻雜物的溫度稍高； 第7圖為-在光栅圖案相對於光拇圖案特徵顯示#度 方向平面具有入射及反射雷射光具有校準特徵的基板詳細 放大等角圖； 第8圖緣製1〇.6微米波長雷射輻射光由以下表面反射 10之咖偏振方向反射率對入射角的圖⑷純石夕⑼在石夕頂端 之0.5微米氧化絕緣層，⑷在石夕上〇5微米氧化絕緣層頂端 〇·1微米之多晶石夕流道，及⑷無限深之石夕氧化層； 第9圖為用來處理在其上形成之拇圖案半導體晶圓步 式基板60之本發明裝置具體例的俯視圖，說明該基板在最 15 佳輻射光結構中操作； $ 第10圖為-基板之平面圖說明一在基板表面上折行於 瞄影像之圖案； τ ν 第11圖為一光學系統實施具體例之截面圖，其包括一 可動掃瞄鏡； 20 第12圖為四個基板在載台上具有影像旋轉及線性移動 的能力，在基板上產生一螺旋掃瞄圖案之平面圖； 第13Α及13Β圖為基板之平面圖說明一交替光柵浐^ 圖案，其令該掃瞄路徑係由可使基板在掃瞄鄰近掃目^路—
前冷卻的空間來分離； I 43 1272149 第14圖為本發明之裝置在螺旋掃瞄方法，光學掃瞄方 法及折行掃瞄方法在以基板/小時的模擬產量對以微秒的 暫留時間之圖； 第15圖為一類似第1A圖LTP系統之實施具體例的詳細 5 放大簡圖，其更包括配置來得到反射輻射光並將其導引回 到基板作為循環輻射光之循環光學系統； 第16圖為第15圖之循環光學系統實施具體例之截面 圖，其包括直角反射鏡及收集/聚焦透鏡； 第17圖為在第16圖之循環光學系統實施具體例之變形 10 的截面圖，其中直角反射鏡相對於軸AR位移（偏離)AD的 量，造成介於直接入射及循環輻射光在入射角有一偏離； 第18圖為在第15圖循環光學系統之實施具體例的截面 簡圖，其包括放大接替組及屋脊鏡； 第19圖為在第15圖循環光學系統之另一實施具體例的 15 截面簡圖，其包括準直/聚焦透鏡及光柵；及 第20圖為一 LTP系統實施具體例之截面簡圖，其使用兩 雷射二極體陣列及配置兩相對之LTP光學系統在基板法線 對面相似的入射角來照射基板。 【主要元件符號說明】 10…裝置 40…夾盤 12…連續輻射源 42···上表面 14A…輻射光 46…載台 14B…輻射光 50…壓板 20…光學系統 60…基板 44 1272149 62…基板表面 63…截面 64…參考特徵 66A···源極區域 66B···沒極區域 67…電路 70…控制器 72…線 76…載台控制器 78…線 80…線 82…線 90…訊號 92…訊號 94…訊號 100…影像 104…準直透鏡 106…輪 108…輪 110…輪 150…光轉換器 160…轉換器/光學系統 170…光束 180…周邊暗角光圈 200…平坦部分 204…光束端點 210···強度峰 226…衰減器 227…偏振光片 228…線 229···訊號 230···四分之一波片 250···光能量監視系統 252…線 254···光能量監視訊號 260…折疊鏡 262…線 264···訊號 280···反射輻射光監視器 281···反射輻射光 282…線 284…反射輻射光監視訊號 285···分光器 287…偵測器 290···聚焦透鏡 300…分析系統 302…線 302A…線 45 1272149
302B…線 304···訊號 310…輻射光 304A···訊號 304B···訊號 340…收集透鏡 346…分光器 350A···矽偵測器 350B…矽偵測器 352···第一圓柱透鏡 354…箭頭 360…影像監視系統 362···孔洞 364…偵測器 366…線 368…訊號 376…預校準器 378…線 380…訊號 386…基板控制器 388…線 390···訊號 400…圖案 404…線/邊 406…線/邊 468···正方形 470···掃瞄方向 474…方向 520…折行掃目苗圖案 522···線性掃瞄掃瞄片段 540···伺服馬達組件 542…線 544···訊號 550···雙色分光器 560···光分析系統 562…收集透鏡 564…偵測器 568…線 570…訊號 604…螺旋掃目苗圖案 610…旋轉中心 612…線性載台 614…旋轉載台 700…交替光柵掃瞄路徑 702…線性掃瞄路徑片段 704…線性掃瞄路徑片段 706…間隔 720…曲線 46 1272149 724…曲線 954…光圈 726…曲線 956…第二圓柱透鏡 900…循環光學系統 960…偏振光保持屋脊鏡 910···中空直角反射鏡 1050…準直/聚焦透鏡 912…表面 1060···光拇 914…表面 1062···光栖表面 916…透鏡 1070…第一透鏡 920…反射輻射平行光 1072…第二透鏡 920’···反射輻射平行光 1074…孔徑光攔 950…圓柱鏡 23RD…循環輻射光 47

Claims (1)

  1. 申請專利範圍修正本 94.06 1272^^101534號專利申請案 十、申請專利範圍·· ι·種用來熱處理一基板之區域的裝置，包含·· 連續輻射源，其係可提供一具有可加熱該基板區 域之波長的連續第一輻射光； 5 適於彳于到該第一輻射光並由此形成第二輻射光 在"亥基板上形成一影像之光學系統； 配置來得到由該基板反射輻射光之循環光學系 統’亚導引該反射輻射光回到基板作為循環反射光；及 適於支撐該基板之載台，並相對於該影像掃瞄該 10 基板來_該光㈣統之輻射第—脈衝，和由該循環光 予系統之幸5射第二脈衝加熱該區域至足夠熱處理該區 域的溫度。 2.如申請專利範圍第旧之裝置，其中該影像為線影像。 15 3.如巾請專利範項之裝置，其㈣循環光學系統包 括準直/聚焦透鏡及一直角反射鏡。 4·:申請專利範圍第3項之裝置，其中該循環輻射光及該 乐-輪射光各自具有入射角，該循環光學***具有一光 軸’且其中該直角反射鏡相對於該光軸偏移，因此至少 部分分離該循環及第二輻射光之入射角。 5·如申4專利範圍第1項之裝置，其中該循環光學系統包 括一遠心替續器及一繞射光栅。 6.如申請專利範圍第旧之裝置，其中該循環光學系統沿 光車由由該基板依序包括： 一圓柱鏡； 48 1272149 一替續器放大組（IX);及 一適於反射該反射輻射光經由該替續器放大組回 到基板之偏振光保持屋脊鏡。 7.如申請專利範圍第6項之裝置，其中該替續器放大組包 5 括： 具有相同焦聚長度並由其兩倍焦聚長度分離之第 一及第二圓柱透鏡；及 介於該第一及第二圓柱透鏡之中途孔徑。 藝 8.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該循環光學系統係 10 適於在或接近該Brewster’s angle之入射角引導該循環 輻射光至該基板。 9. 一種用來熱處理一基板之區域的裝置，包含： 二或更多連續輻射源，其各可提供一具有可加熱該 基板區域之波長的連續第一輪射光； 15 二或更多各適於得到該第一輻射光並由此形成第 二輻射光在該基板上形成一影像之光學系統，由此在該 • 基板上各自形成二或更多影像；及 一適於支撐該基板，並相對於該二或更多影像掃瞄 該基板來使各二或更多輻射脈衝加熱該區域至足夠熱 20 處理該區域的溫度之載台。 10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該二或更多光學系 統係適於形成該各二或更多影像作為線影像。 11. 一種用來熱處理基板之一或更多區域的方法，其步驟包 含： 49 1272149 a.產生一具有可加熱該一或更多區域之波長的連 續輻射光； b·由該連續輻射光作為第一輻射光來照射該基板； c·由該基板之一或更多區域捕捉反射輻射光並導 引该反射輪射光回到該一或更多區域作為循環輻射 光；及 d·在該一或更多區域上掃瞄該第一輻射光及該循 環輻射光，使該一或更多區域得到一可處理該一或更多 區域之熱能量。 12·如申請專利範圍第丨丨項之方法，其中該循環輻射光係被 形成使其在被選擇之波長具有和基板最小反射率相對 應之入射角。 13. 如申請專利範圍第丨丨項之方法，其中導引該反射輻射光 回到該一或更多區域包括反射由該直角反射鏡得到之 15 輻射光。 14. 如申請專利範圍第_之方法，其中導引該反射輕射光 回到到該一或更多區域包括由一屋脊鏡及一圓柱鏡反 射之反射輻射光。 15·如申晴專利範圍第丨丨項之方法，其中導引該反射輕射光 *〇 回到該一或更多區域包括由一相對該反射輻射光傾斜 之繞射光柵繞射之反射輻射光，使被導引回到該基板之 反射輪射光在該一或更多區域保持聚焦。 16.如申請專利第山貞之方法，其中導引該反射輕射光 回到該一或更多區域包括： 50 1272149 導引該反射輻射光經由一圓柱鏡及一替續器放大 組（IX)至一偏振光保持屋脊鏡，其中該屋脊鏡係適於反 射該反射輻射光回到該替續器放大組來在該基板部分 上形成一聚焦影像。 5 17. —種用來熱處理一基板之區域的方法，包含： 產生二或更多具有可加熱該基板區域波長之連續 第一輻射光； 由二或更多各適於得到該第一輻射光並由此形成 •第二輻射光在該基板上形成一影像之光學系統得到該 10 二或更多連續第一輻射光，其中該第二輻射光在該基板 上各形成一影像，由此在該基板上各自形成二或更多至 少部分重疊的影像；及 相對該二或更多影像掃瞄該基板來使各二或更多 同時存在之輻射脈衝加熱該區域至足夠熱處理該區域 15 的溫度。 51
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