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CN115803852A - 激光退火装置的控制装置及激光退火方法 - Google Patents

激光退火装置的控制装置及激光退火方法 Download PDF

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CN115803852A
CN115803852A CN202180043232.3A CN202180043232A CN115803852A CN 115803852 A CN115803852 A CN 115803852A CN 202180043232 A CN202180043232 A CN 202180043232A CN 115803852 A CN115803852 A CN 115803852A
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CN
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laser
semiconductor wafer
control device
laser beam
annealing
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CN202180043232.3A
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English (en)
Inventor
冈田康弘
万雅史
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

控制装置控制退火装置，该退火装置使激光束入射于半导体晶片的表面，并使激光束的光束点在半导体晶片的表面上移动，从而进行激光退火。该控制装置将激光束的光束点的扫掠速度设为快于半导体晶片的热扩散率除以半导体晶片的厚度而得的值的两倍。由此，能够充分地提高半导体晶片的激光照射面的温度并且能够抑制非照射面的温度上升。

Description

激光退火装置的控制装置及激光退火方法
技术领域
本发明涉及一种激光退火装置的控制装置及激光退火方法。
背景技术
为了对掺杂于硅晶片等半导体晶片中的掺杂剂进行活化，需要对半导体晶片进行加热(退火)。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等的制造工序包括如下工序：在半导体晶片的一个表面形成电路元件之后，在另一个表面掺杂杂质后进行退火。在进行退火时，在电路形成面上粘贴树脂制的保护胶带。为了防止保护胶带熔融，期待抑制电路形成面的温度上升。
为了充分地加热与电路形成面相反一侧的表面并且抑制电路形成面的温度上升，使用向与电路形成面相反一侧的表面照射激光的激光退火(例如，专利文献1等)。作为退火用的激光振荡器，使用连续振荡(CW)激光器、或者Q开关激光器或准分子激光器等脉冲激光器。专利文献1中公开了使用了激光二极管激励全固态脉冲激光振荡器的激光退火技术。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-114052号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
若半导体晶片的厚度变薄，则难以将照射激光的面(以下，称为激光照射面)加热至足够的温度并且抑制电路形成面(以下，称为非照射面)的温度上升。本发明的目的在于，提供一种能够充分地提高半导体晶片的激光照射面的温度并且能够抑制非照射面的温度上升的激光退火装置的控制装置及激光退火方法。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的一种观点，提供一种控制装置，其控制退火装置，所述退火装置使激光束入射于半导体晶片的表面，并使所述激光束的光束点在所述半导体晶片的表面上移动，从而进行激光退火，
所述控制装置将所述激光束的光束点的扫掠速度设为快于所述半导体晶片的热扩散率除以所述半导体晶片的厚度而得的值的两倍。
根据本发明的另一观点，提供一种激光退火方法，其包括如下步骤：
根据半导体晶片的激光照射面的最高到达温度的第1目标值来确定入射于所述半导体晶片的激光照射面的脉冲激光束的激光功率及所述半导体晶片的激光照射面上的光束尺寸；
在使所述脉冲激光束的光束点在所述半导体晶片的激光照射面上扫掠时，将连续发射的两个光束点局部重叠或彼此接触作为条件来确定脉冲的重复频率及扫掠速度；
而且，在确定扫掠速度时，将与所述半导体晶片的激光照射面相反一侧的背面的最高到达温度不超过第2目标值作为条件来确定扫掠速度；及
以所确定的激光功率、光束尺寸、脉冲的重复频率及光束点的扫掠速度进行所述半导体晶片的激光退火。
发明效果
通过如上调整光束点的扫掠速度，能够充分地提高半导体晶片的激光照射面的温度并且能够抑制非照射面的温度上升。
附图说明
图1是实施例的激光退火装置的概略立体图。
图2是本实施例的激光退火装置的概略图。
图3是表示使一个脉冲的脉冲激光束入射于硅晶片的情况下的表面温度的经时变化的计算值的曲线图。
图4是脉冲激光束入射的半导体晶片的剖视图。
图5A及图5B是表示半导体晶片的截面内的温度分布的计算结果的一例的曲线图。
图6是表示本实施例的激光退火方法的步骤的流程图。
图7A及图7B是表示光束点的移动经历的示意图。
具体实施方式
参考图1～图7B对一实施例的激光退火装置进行说明。
图1是实施例的激光退火装置的概略立体图。激光光源10输出脉冲激光束。从激光光源10输出的脉冲激光束经由光束扩展器11、光束整形光学元件12、折返镜13、14、光束扫描仪15及fθ透镜16后入射于退火对象(即，半导体晶片20)的激光照射面。
半导体晶片20被晶片卡盘18保持，该晶片卡盘18被移动机构17支撑。移动机构17使晶片卡盘18沿水平面内的两个方向移动。作为移动机构17，例如使用XY工作台。
光束扩展器11调整激光束的光束整形光学元件12上的入射位置处的光束尺寸(光束截面的直径)。光束整形光学元件12对半导体晶片20的激光照射面上的光束点的形状及强度分布进行整形。作为光束整形光学元件12，例如使用衍射光学元件。光束扫描仪15包括加尔瓦诺镜15A及马达15B。马达15B使加尔瓦诺镜15A在摆动方向上的一定范围内旋转，由此在一维方向上扫描脉冲激光束。fθ透镜16将由光束扫描仪15扫描的脉冲激光束会聚到半导体晶片20的激光照射面上。
图2是本实施例的激光退火装置的概略图。省略对与图1的说明重复的内容的说明。
作为激光光源10，使用光纤激光振荡器。在掺杂有激光活性介质的增益光纤31的一端连接有输入侧光纤32，另一端则连接有输出侧光纤34。在输入侧光纤32上形成有高反射率型的光纤布拉格光栅33，在输出侧光纤34上形成有低反射率型的光纤布拉格光栅35。由高反射率型的光纤布拉格光栅33和低反射率型的光纤布拉格光栅35构成光学谐振腔。
从激光二极管30输出的激励光经由输入侧光纤32导入至增益光纤31。掺杂于增益光纤31中的激光活性介质被激励光激励。在激光活性介质过渡到低能态时产生受激发射，从而产生激光。在增益光纤31产生的激光经由输出侧光纤34入射于波长转换元件36。被波长转换元件36波长转换后的激光束经由光束扩展器11、光束整形光学元件12、折返镜13、14、光束扫描仪15及fθ透镜16后入射于半导体晶片20。增益光纤31例如输出红外区域的激光，波长转换元件36将红外区域的激光转换为绿色波长区域的激光。
驱动器37根据来自控制装置40的指令来驱动激光二极管30。从控制装置40接收到的指令包括指定从激光二极管30输出的激光脉冲的重复频率的信息。驱动器37使激光二极管30以控制装置40所指示的激光脉冲的重复频率输出激励用激光。其结果，激光光源10以被指示的重复频率输出脉冲激光束。
移动机构17及晶片卡盘18配置于腔室50内。在保持于晶片卡盘18上的半导体晶片20上方的腔室50的壁面上安装有激光透射窗51。透过了fθ透镜16后的脉冲激光束透过激光透射窗51而入射于半导体晶片20的激光照射面。本实施例的激光退火装置例如对掺杂于半导体晶片20中的掺杂剂进行活化退火。半导体晶片20例如为硅晶片。
控制装置40包括供使用者操作的控制台。使用者通过操作控制台来输入指定脉冲激光束的脉冲的重复频率的信息。控制装置40向驱动器37提供所输入的指定脉冲的重复频率的信息。
而且，控制装置40控制光束扫描仪15及移动机构17，从而使光束点在半导体晶片20的激光照射面上移动。定义将用光束扫描仪15扫描脉冲激光束而使光束点移动的方向作为x方向、将与激光照射面内的x方向正交的方向作为y方向的xyz正交坐标系。将利用光束扫描仪15扫描脉冲激光束所致的光束点在x方向上的移动称为“扫掠”。控制装置40控制移动机构17使半导体晶片20沿y方向移动，并且控制光束扫描仪15使光束点沿x方向扫掠，由此对半导体晶片20进行退火。
在x方向上能够扫掠光束点的最大长度取决于光束扫描仪15的脉冲激光束的摆角及fθ透镜16的性能。在扫掠的最大长度短于半导体晶片20的尺寸的情况下，通过沿x方向移动半导体晶片20并重复多次一边使半导体晶片20沿y方向移动一边沿x方向扫掠光束点的处理，能够对半导体晶片20的几乎整个区域进行退火。
接着，参考图3对使脉冲激光束入射于半导体晶片20时的表面温度的经时变化进行说明。
为了方便起见，对功率密度P均匀的激光脉冲入射于半导体晶片20的情况进行说明。半导体晶片20的激光照射面的表面温度T可以由下式表示。
[数式1]
Figure BDA0004002947920000051
其中，t为从开始加热起经过的时间，C为半导体晶片20的比热容，ρ为半导体晶片20的密度，λ为半导体晶片20的导热系数。例如，表面温度T的单位为“K”，功率密度P的单位为“W/cm2”，经过时间t的单位为“秒”，比热容C的单位为“J/g·K”，密度ρ的单位为“g/cm3”，导热系数λ的单位为“W/cm·K”。
若将脉冲激光束的脉冲宽度标记为t0，则激光照射面的最高到达温度Ta由下式表示。
[数式2]
Figure BDA0004002947920000052
若激光照射面的最高到达温度Ta的目标值被确定，则可确定将温度提升至该目标值所需的功率密度P及脉冲宽度t0。
图3是表示使一个脉冲的脉冲激光束入射于硅晶片的情况下的表面温度T的经时变化的计算值的曲线图。横轴以单位“ns”表示从激光脉冲的上升时刻起经过的时间t，左纵轴以单位“℃”表示半导体晶片20的表面温度T，右纵轴以单位“MW/cm2”表示脉冲激光束的功率密度P。曲线图中的虚线表示脉冲激光束的功率密度P的经时变化，实线表示半导体晶片20的表面温度T的经时变化。脉冲激光束的脉冲宽度为t0，峰值功率密度为5MW/cm2。
在激光脉冲入射的期间(0≤t≤t0)，表面温度T基于式(1)而上升。从激光脉冲的上升时刻起经过了相当于脉冲宽度t0的时间的时刻(t＝t0)的表面温度T等于最高到达温度Ta。在激光脉冲开始下降之后(t≥t0)，表面温度T逐渐下降。
接着，参考图4～图5B对半导体晶片20的非照射面的温度上升进行说明。
图4是脉冲激光束入射的半导体晶片20的剖视图。激光束的入射位置成为热源Pf。若为了方便起见考虑无限厚的板的热源正下方的温度分布，则热源Pf正下方的非照射面上的位置Pr的温度上升量ΔT由下式表示。
[数式3]
Figure BDA0004002947920000061
在此，Q为从热源Pf输入到半导体晶片20的输入热量，h为半导体晶片20的厚度，v为热源Pf的扫掠速度，k为半导体晶片20的热扩散率。例如，输入热量Q的单位为“W”，半导体晶片20的厚度h的单位为“cm”，扫掠速度v的单位为“cm/s”，热扩散率k的单位为“cm2/s”。
由式(3)可知，热源Pf的扫掠速度v越慢，非照射面上的点Pr的温度上升量ΔT越大。尤其，在半导体晶片20的厚度h薄的情况下，温度上升量ΔT会明显增大。
图5A及图5B是表示半导体晶片20的截面内的温度分布的计算结果的一例的曲线图。另外，图5A及图5B中示出了厚度有限且非照射面处于绝热条件下的晶片的截面内的温度分布。横轴表示热源Pf在扫掠方向上的位置。将热源Pf的当前位置设为横轴的原点，将热源的移动方向设为正。纵轴以单位“μm”表示距激光照射面的深度。图5A及图5B中示出了热源Pf的扫掠速度v互不相同的情况下的温度分布。图5B中示出了热源Pf的扫掠速度v快于图5A时的温度分布。曲线图中的曲线表示等温线，标注于各曲线上的数值以单位“℃”表示温度。
由图可知，在扫掠速度v慢时(图5A)，厚度方向上的温度梯度比扫掠速度v快时(图5B)更平缓。即，在扫掠速度v慢时，非照射面的温度上升量ΔT比扫掠速度v快时更大。换言之，通过加快扫掠速度v，能够减少非照射面的温度上升量ΔT。
接着，参考图6对本实施例的激光退火方法进行说明。
图6是表示本实施例的激光退火方法的步骤的流程图。首先，根据半导体晶片20的激光照射面的最高到达温度的第1目标值来确定激光功率及激光照射面上的光束尺寸(步骤S1)。根据激光功率和光束尺寸，能够确定功率密度P。最高到达温度的第1目标值可以根据半导体晶片20的熔点来确定。例如，若要使半导体晶片20的表层部熔融，则将最高到达温度设为熔点以上即可。若要以非熔融方式进行退火，则使最高到达温度低于熔点即可。
将连续发射的两个光束点局部重叠或彼此接触并且非照射面的最高到达温度成为第2目标值以下作为条件来确定脉冲的重复频率及扫掠速度v(步骤S2)。非照射面的最高到达温度的第2目标值例如设为粘贴在非照射面上的保护胶带不受损伤的程度的温度即可。
接着，参考图7A及图7B对确定脉冲的重复频率f和扫掠速度v的方法进行说明。
图7A及图7B是表示光束点25的移动经历的示意图。图7A中示出了连续发射的两个光束点25局部重叠的例子，图7B中示出了连续发射的两个光束点25彼此接触的例子。将光束点的扫掠方向上的尺寸标记为L，将连续发射的两个光束点彼此重叠的区域在扫掠方向上的尺寸标记为Lov。重叠区域的尺寸Lov由下式表示。
[数式4]
Figure BDA0004002947920000071
为了不让连续发射的两个光束点彼此分开，设Lov≥0即可。即，将扫掠速度v确定为满足下式即可。
[数式5]
v≤fXL…(5)
以图6所示的步骤S1中确定的激光功率、光束尺寸及步骤S2中确定的脉冲的重复频率、光束点的扫掠速度来进行激光退火(步骤S3)。
接着，对上述实施例的优异效果进行说明。
由式(3)可知，若使光束点的扫掠速度v快于2k/h，则非照射面的温度上升量ΔT会减少至将扫掠速度v设为0而进行激光照射时的温度上升量ΔT的1/e(约0.37倍)。为了获得减少半导体晶片20的非照射面的温度上升量ΔT的显著效果，优选将扫掠速度v设为快于2k/h。换言之，优选将激光束的光束点的扫掠速度设为快于半导体晶片20的热扩散率除以半导体晶片20的厚度而得的值的两倍。
在上述实施例中，通过用光束扫描仪15扫描脉冲激光束而扫掠了光束点25。因此，通过使移动机构17动作而使半导体晶片20移动，能够使扫掠速度v比使光束点在激光照射面上扫掠时更快。
接着，对上述实施例的变形例进行说明。
为了减少非照射面的温度上升量ΔT，由式(3)可知，优选尽可能加快扫掠速度v。然而，由式(5)可知，扫掠速度v的上限值受脉冲激光束的脉冲的重复频率f与光束尺寸L的乘积的限制。为了提高扫掠速度v的上限值，期待提高脉冲的重复频率f，并且加大光束尺寸L。
若在保持激光功率恒定的条件下加大光束尺寸L，则半导体晶片20的激光照射面上的功率密度P会下降。为了在功率密度P下降的条件下维持激光照射面的最高到达温度Ta，不得不加大脉冲宽度t0。若脉冲宽度t0增加，则在激光脉冲入射的期间沿厚度方向传递的传热量会增加。其结果，非照射面的温度会升高。因此，无法无条件地加大光束尺寸L。
想要在不加大光束尺寸L的情况下提高扫掠速度v的上限值，由式(5)可知，提高脉冲的重复频率f即可。例如，为了抑制厚度为100μm以下的半导体晶片的非照射面的温度过度上升，优选将脉冲的重复频率f设为15kHz以上，更优选设为100kHz以上。
若脉冲的重复频率f低，则基于上一次发射的激光照射面的温度上升的影响会消失导致温度降低至原来的温度之后下一次发射的激光束入射于半导体晶片20。若提高脉冲的重复频率f，则会在残留有基于上一次发射的热影响的状态下进行下一次发射。尤其，若将脉冲的重复频率f设为15kHz以上，则在残留有基于上一次发射的激光照射面的温度上升量ΔT的1％以上的温度上升量的状态下进行下一次发射。并且，若将脉冲的重复频率f设为100kHz以上，则在残留有基于上一次发射的激光照射面的温度上升量ΔT的5％以上的温度上升量的状态下进行下一次发射入射。因此，能够更加有效地对激光照射面进行加热。
在上述实施例中，作为激光光源10(图1及图2)，使用了光纤激光器，此外，还可以使用锁模激光器等。并且，在上述实施例中，激光退火中使用了脉冲激光，但也可以使用连续波(CW)激光。CW激光相当于将脉冲激光的脉冲的重复频率f设为无限大时的情况。
并且，在上述实施例中，为了以扫掠速度v扫掠光束点，使用了加尔瓦诺扫描仪，但是，若使用XY工作台等能够使半导体晶片20以足够的速度移动，则也可以固定激光束的路径而使半导体晶片20移动，从而使光束点在半导体晶片20的激光照射面上扫掠。
上述实施例仅为示例，本发明并不只限于上述实施例。例如，本发明能够进行各种变更、改进、组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。
符号说明
10-激光光源，11-光束扩展器，12-光束整形光学元件，13、14-折返镜，15-光束扫描仪，15A-加尔瓦诺镜，15B-马达，16-fθ透镜，17-移动机构，18-晶片卡盘，20-半导体晶片，25-光束点，30-激光二极管，31-增益光纤，32-输入侧光纤，33-光纤布拉格光栅，34-输出侧光纤，35-光纤布拉格光栅，36-波长转换元件，37-驱动器，40-控制装置，50-腔室，51-激光透射窗。

Claims (5)

1.一种控制装置，其控制退火装置，所述退火装置使激光束入射于半导体晶片的表面，并使所述激光束的光束点在所述半导体晶片的表面上移动，从而进行激光退火，所述控制装置的特征在于，
将所述激光束的光束点的扫掠速度设为快于所述半导体晶片的热扩散率除以所述半导体晶片的厚度而得的值的两倍。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述退火装置具有：
移动机构，保持所述半导体晶片并使其沿第1方向移动；及
光束扫描仪，通过扫描所述激光束，使光束点在所述半导体晶片的表面上沿与所述第1方向交叉的第2方向移动，
所述控制装置将光束点相对于所述半导体晶片的沿所述第2方向的扫掠速度设为快于2k/h。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，
所述激光束为脉冲激光束且脉冲的重复频率为15kHz以上，所述控制装置将连续发射的两个光束点局部重叠或彼此接触作为条件使光束点沿所述第2方向移动。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，
所述激光束的脉冲的重复频率为100kHz以上。
5.一种激光退火方法，其包括如下步骤：
根据半导体晶片的激光照射面的最高到达温度的第1目标值来确定入射于所述半导体晶片的激光照射面的脉冲激光束的激光功率及所述半导体晶片的激光照射面上的光束尺寸；
在使所述脉冲激光束的光束点在所述半导体晶片的激光照射面上扫掠时，将连续发射的两个光束点局部重叠或彼此接触作为条件来确定脉冲的重复频率及扫掠速度；
而且，在确定扫掠速度时，将与所述半导体晶片的激光照射面相反一侧的背面的最高到达温度不超过第2目标值作为条件来确定扫掠速度；及
以所确定的激光功率、光束尺寸、脉冲的重复频率及光束点的扫掠速度进行所述半导体晶片的激光退火。
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