專利名稱：一種使用真空腔的激光處理裝置和處理方法
技術領域：
本發明屬于半導體制造裝置與技術范圍，特別涉及一種使用真空腔的激光光處理裝置和處理方法。
背景技術：
激光作用于半導體晶圓片，對半導體晶圓片的表面進行加工處理，對于這個過程的認識，一般是認為激光能量被襯底材料所吸收，轉化成為熱能，并使襯底材料產生顯著的升溫，通過高溫熱作用的方式產生所需的加工效果。從半導體材料摻雜雜質退火的技術實踐來看，由于較強的熱作用，導致了初始雜質的擴散再分布，所以并不希望熱作用的強度太大。因為雜質擴散再分布的原因，人們看到，退火處理的時間越來越短暫，主要是希望減少雜質熱擴散過程的時間，這樣的技術趨勢發展下來，就產生了單脈沖激光退火這樣的技術方案，可以說是短時強作用技術的極致了。從當前激光半導體加工的技術趨勢來看，越來越忽視熱作用的過程，而更強調非熱作用。例如，在近幾年的國際半導體技術發展路線圖中，已經提出了非熱退火的概念(英文為Athermal Anneal)。將激光對半導體材料的處理，更多地看成是直接的光作用，而將熱量產生和擴散看成是伴隨的次要的作用，就有可能有針對性地，針對光作用這樣的特點，去設計和實現激光光處理的新裝置和新技術方法。本發明提出一種對半導體晶圓片表面實施激光處理加工的裝置和方法，其主要的技術特色在于，在激光處理過程中，晶圓片表面接受激光輻照后，對于輻照能量的吸收，是以電子吸收為主的，而不是熱效應(升溫)顯著的晶格吸收。此外，引入了真空腔體，激光處理的過程被置于抽成較高真空的腔體內來進行。這樣，與熱量傳輸有關的傳導，對流，和輻射過程被減弱到了很小的程度，由于所述的這些技術特色，本發明得以提供專門適用于激光光處理的腔體及相關處理方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種使用真空腔的激光處理裝置和處理方法，其特征在于， 工藝腔體2的頂端為透明窗口 12，頂桿6從工藝腔體2底部中心孔7插入，頂桿6的頂端固定片托4，工藝腔體2底部側面連接預真空腔9，預真空腔9和工藝腔體2分別通過預真空管口 8和真空腔管口 5接真空泵系統，在預真空腔9和工藝腔體2之間設置隔離門10，工藝腔體2設置氣體入管11 ；工藝腔體2下半部分外側壁，環繞冷卻液管路3，用于冷卻激光處理后的晶圓片；激光束1處于工藝腔體2的上方，激光束1透過透明窗口 12對晶圓片表面進行輻照加熱處理。所述片托和頂桿用熱導率低的材料制成，同時相對于外部帶動頂桿升降的機械機構做隔熱處理。所述晶圓片在工藝腔體2中，由頂桿6和片托4機構承載，并且隨頂桿6和片托4 上下移動。
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所述氣體入管11用于在工藝階段中向工藝腔體2內通保護氣或工藝氣體；所述氣體入管為一路以上，并且氣體入管的位置不局限于工藝腔體的底部。一種使用真空腔的激光光處理方法，其特征在于，對于晶圓片進行激光處理的具體步驟如下(1)關閉隔離門10和預真空管口 8，此時預真空腔9處于不抽真空的狀態。預真空腔充氣且向外的門打開曝露于大氣中，外部機械手將晶圓片送入預真空腔9內，機械手退出預真空腔，預真空腔對外的門關閉，預真空管口 8連通真空抽氣泵開始對預真空腔9抽真空；(2)打開隔離門10，由預真空腔中的機械手將晶圓片送入工藝腔體2，工藝腔體中的頂桿6自下方升起，由頂桿6頂端的片托4接過晶圓片，預真空腔中的機械手退回，關閉隔離門10 ；(3)頂桿6升起至工藝腔體2頂部，此時根據具體的工藝要求，如果需要對晶圓片進行輔助性加熱，則采用外部的熱輻射源透過透明窗12對晶圓片表面進行輻照加熱，在輔助性的輻照加熱階段，工藝腔體2內部處于較高真空度或通入微量氣體，令工藝腔內部處于100 200毫乇的真空度，以加強輔助加熱的效果，輔助性加熱的溫度范圍自室溫至500 攝氏度，除了輔助性加熱之外，如果在激光處理之前還需要進行其他的工藝處理，例如對于潔凈的晶圓片表面，通氫氣進行表面處理等，也都放在本步驟進行；(4)激光束1開始透過透明窗12對晶圓片表面進行輻照加熱，由于激光束1由外部機械機構帶動，在晶圓片表面掃描，因此晶圓片的全部表面都能夠被處理到；當晶圓片接受激光輻照處理時，工藝腔體2處于腔室壓力1毫乇或者更低的高真空狀態，當針對的是特定的激光輔助薄膜沉積工藝時，腔室壓力的設定則要符合特定工藝的要求；腔室壓力的控制是通過對真空泵組抽率，保護性氣體入氣量和工藝氣體入氣量的協調調節實現的；(5)完成激光輻照之后，頂桿6降下至工藝腔體下部的冷卻液管路3附近，工藝腔體2通入保護氣，通過氣體流動換熱，對晶圓片進行冷卻；根據工藝要求，可控制冷卻的速率，如果要求比較快速的冷卻時，可通過氣體入管11送入更多保護氣，更加充分有效地在晶圓片高溫端和冷卻液低溫端之間換熱；(6)當晶圓片冷卻到室溫后，打開隔離門10，預真空腔9中的機械手伸入，取走加工好的晶圓片，隔離門10關閉，工藝腔體2又處于等待下一片加工處理的空閑狀態；(7)經過預真空腔9的過渡，加工完成的晶圓片被送出，此后可從外部再取一片晶圓片，進行后續片的加工處理。所述保護性氣體為氮氣、氬氣；對保護性氣體入氣量進行控制，令腔室處于100 200毫乇的真空度范圍內；本發明的有益效果是，提供了一種能夠靈活應對不同工藝加工需求，同時又充分照顧激光光處理特點的，內部抽成真空的工藝處理腔，以及相關的處理方法。所述的工藝處理腔，本身可執行激光退火或者激光再結晶處理；可執行晶圓片的冷卻處理；在外部輻照加熱源的協助下，可執行加熱處理；通入特定工藝氣體后，可執行薄膜的激光輔助沉積處理；當外部提供可移動式的燈光或者紅外加熱源的功率足夠時，例如可提供晶圓片升溫至 700攝氏度，則也可執行薄外延的工藝處理。這樣的腔室設計，極大地加強了反應腔的實際應用價值，可用作多種不同半導體工藝裝置的核心反應腔。所述工藝腔除內部提供一定真空度的反應環境之外，側壁由于通冷卻液，成為“冷壁式”的反應腔，該特點尤其有利于薄膜沉積或者外延類的應用。
圖1為使用真空腔的激光光處理裝置的示意圖。
具體實施例方式本發明提供一種使用真空腔的激光處理裝置和處理方法。下面結合附圖對本發明予以說明。圖1所示為使用真空腔的激光光處理裝置的示意圖。工藝腔體2是一個半扁平的密封腔；采用金屬材料制成。內壁覆蓋鈍化薄膜對反應腔進行保護。在工藝腔體2的頂端為透明窗口 12，是采用對激光輻照呈透明的材料開設的窗口，這里，石英材料是一種比較好的選擇，對于近紅外，可見光到紫外波段的光均有很好的透明性。頂桿6從工藝腔體2底部中心孔7插入，此處進行動密封的處理，以隔離腔室真空與外部環境；頂桿6的頂端固定片托4，工藝腔體2中的頂桿片托機構可以上下移動，可由外部電機帶動該機構動作；工藝腔體2底部側面連接預真空腔9，預真空腔9和工藝腔體2分別通過預真空管口 8和真空腔管口 5接真空泵系統，用于工藝腔體2抽真空，在預真空腔9和工藝腔體2之間設置隔離門 10，工藝腔體2設置氣體入管11，在工藝腔頂部、底部或者側壁處，可根據需要開幾個氣體入管，向腔內通保護性氣體，例如氮氣、氬氣以及工藝氣體。對各路氣流的氣流量，可使用質量流量計調控。工藝腔體2下半部分外側壁，環繞冷卻液管路3，構成“冷壁式”反應腔，用于冷卻激光處理后的晶圓片，管路材料可以是金屬材質，冷卻液可以是冷卻水；激光束1處于工藝腔體2的上方，激光束1透過透明窗口 12對晶圓片表面進行輻照加熱處理。預真空腔9用于外部環境同工藝腔體2之間的隔離，可采用與工藝腔體2相同的材料制成。預真空腔與工藝腔體2之間采用隔離門10來控制二者的連通，隔離門10門的開與關通過電子裝置來驅動實現。在預真空腔中安裝機械手裝置，用于在預真空腔和工藝腔體2之間傳送晶圓片。采用本發明真空工藝腔室，可進行多種不同的半導體工藝，這些工藝以激光輻照處理作為其中的一個環節步驟。對于激光輻照處理的具體過程，舉例說明如下(1)關閉隔離門10和預真空管口 8，此時預真空腔9處于不抽真空的狀態。預真空腔充氣且向外的門打開曝露于大氣中，外部機械手將晶圓片送入預真空腔9內，機械手退出預真空腔，預真空腔對外的門關閉，預真空管口 8連通真空抽氣泵開始對預真空腔9抽真空；(2)打開隔離門10，由預真空腔中的機械手將晶圓片送入工藝腔體2，工藝腔體中的頂桿6自下方升起，由頂桿6頂端的片托4接過晶圓片，預真空腔中的機械手退回，關閉隔離門10 ；(3)頂桿6升起至工藝腔體2頂部，此時根據具體的工藝要求，如果需要對晶圓片進行輔助性加熱，則采用外部的熱輻射源透過透明窗12對晶圓片表面進行輻照加熱，在輔助性的輻照加熱階段，工藝腔體2內部處于較高真空度或通入微量氣體，令工藝腔內部處于100 200毫乇的真空度，以加強輔助加熱的效果，輔助性加熱的溫度范圍自室溫至500
6攝氏度，除了輔助性加熱之外，如果在激光處理之前還需要進行其他的工藝處理，例如對于潔凈的晶圓片表面，可通氫氣進行表面處理等，也都放在本步驟進行；(4)激光束1開始透過透明窗12對晶圓片表面進行輻照加熱，由于激光束1由外部機械機構帶動，在晶圓片表面掃描，因此晶圓片的全部表面都能夠被處理到；當晶圓片接受激光輻照處理時，工藝腔體2處于腔室壓力1毫乇或者更低的高真空狀態，當針對的是特定的激光輔助薄膜沉積工藝時，腔室壓力的設定則要符合特定工藝的要求；腔室壓力的控制是通過對真空泵組抽率，保護性氣體入氣量和工藝氣體入氣量的協調調節實現的；(5)完成激光輻照之后，頂桿6降下至工藝腔體下部的冷卻液管路3附近，工藝腔體2通入保護氣，通過氣體流動換熱，對晶圓片進行冷卻；根據工藝要求，可控制冷卻的速率，如果要求比較快速的冷卻時，可通過氣體入管U送入更多保護氣，更加充分有效地在晶圓片高溫端和冷卻液低溫端之間換熱；(6)當晶圓片冷卻到室溫后，打開隔離門10，預真空腔9中的機械手伸入，取走加工好的晶圓片，隔離門10關閉，工藝腔體2又處于等待下一片加工處理的空閑狀態；(7)經過預真空腔9的過渡，加工完成的晶圓片被送出，此后可從外部再取一片晶圓片，進行后續片的加工處理。由于對工藝腔設置了充氣和抽氣的機制，所以可以控制工藝腔在不同的工藝階段，處于不同的真空壓力環境之下。特別地，當晶圓片接受激光輻照處理時，工藝腔是處于較高的真空狀態下的。此時，與晶圓片溫度有關的對流，傳導等作用都被減弱到極低的程度，而唯一可能的加熱源將只是激光輻照。由于將激光波長選擇在紫外、深紫外波段，晶圓片表面又可通過之前的工藝步驟處理成為非完整晶格的狀態，因此對激光能量的吸收，將是以電子吸收為主。電子系統吸收激光能量后，通過弛豫過程，能量最終會傳遞給晶格系統，造成晶圓片有限的升溫，不過這已是寄生的效應了。
權利要求
1.一種使用真空腔的激光處理裝置，其特征在于，工藝腔體O)的頂端為透明窗口 (12)，頂桿(6)從工藝腔體( 底部中心孔(7)插入，頂桿(6)的頂端固定片托G)，工藝腔體(2)底部側面連接預真空腔(9)，預真空腔(9)和工藝腔體( 分別通過預真空管口(8) 和真空腔管口(5)接真空泵系統，在預真空腔(9)和工藝腔體(2)之間設置隔離門(10)，工藝腔體( 設置氣體入管(11)；工藝腔體( 下半部分外側壁，環繞冷卻液管路(3)，用于冷卻激光處理后的晶圓片；激光束(1)處于工藝腔體( 的上方，激光束(1)透過透明窗口 (12)對晶圓片表面進行輻照加熱處理。
2.根據權利要求1所述一種使用真空腔的激光光處理裝置，其特征在于，所述片托和頂桿用熱導率低的材料制成，同時相對于外部帶動頂桿升降的機械機構做隔熱處理。
3.根據權利要求1所述一種使用真空腔的激光處理裝置，其特征在于，所述晶圓片在工藝腔體O)中，由頂桿(6和片托(4)機構承載，并且隨頂桿(6)和片托(4)上下移動。
4.根據權利要求1所述一種使用真空腔的激光處理裝置，其特征在于，所述氣體入管 (11)用于在工藝階段中向工藝腔體O)內通保護氣或工藝氣體；所述氣體入管為一路以上，并且氣體入管的位置不局限于工藝腔體的底部。
5.一種使用真空腔的激光處理方法，其特征在于，對于晶圓片進行激光處理的具體步驟如下(1)關閉隔離門(10)和預真空管口(8)，此時預真空腔(9)處于不抽真空的狀態。預真空腔充氣且向外的門打開曝露于大氣中，外部機械手將晶圓片送入預真空腔(9)內，機械手退出預真空腔，預真空腔對外的門關閉，預真空管口(8連通真空抽氣泵開始對預真空腔(9)抽真空；(2)打開隔離門(10)，由預真空腔中的機械手將晶圓片送入工藝腔體O)，工藝腔體中的頂桿(6)自下方升起，由頂桿(6)頂端的片托(4)接過晶圓片，預真空腔中的機械手退回，關閉隔離門(10)；(3)頂桿(6)升起至工藝腔體(2)頂部，此時根據具體的工藝要求，如果需要對晶圓片進行輔助性加熱，則采用外部的熱輻射源透過透明窗(12)對晶圓片表面進行輻照加熱，在輔助性的輻照加熱階段，工藝腔體O)內部處于較高真空度或通入微量氣體，令工藝腔內部處于100 200毫乇的真空度，以加強輔助加熱的效果，輔助性加熱的溫度范圍自室溫至 500攝氏度，除了輔助性加熱之外，如果在激光處理之前還需要進行通氫氣進行表面處理， 對晶圓片進一步表面潔凈處理；(4)激光束(1開始透過透明窗(12)對晶圓片表面進行輻照加熱，由于激光束(1)由外部機械機構帶動，在晶圓片表面掃描，因此晶圓片的全部表面都能夠被處理到；當晶圓片接受激光輻照處理時，工藝腔體( 處于腔室壓力1毫乇或者更低的高真空狀態，當針對的是特定的激光輔助薄膜沉積工藝時，腔室壓力的設定則要符合特定工藝的要求；腔室壓力的控制是通過對真空泵組抽率，保護性氣體入氣量和工藝氣體入氣量的協調調節實現的；(5)完成激光輻照之后，頂桿(6)降下至工藝腔體下部的冷卻液管路(3)附近，工藝腔體(2)通入保護氣，通過氣體流動換熱，對晶圓片進行冷卻；根據工藝要求，可控制冷卻的速率，如果要求比較快速的冷卻時，通過氣體入管(11)送入更多保護氣，更加充分有效地在晶圓片高溫端和冷卻液低溫端之間換熱；(6)當晶圓片冷卻到室溫后，打開隔離門(10)，預真空腔(9)中的機械手伸入，取走加工好的晶圓片，隔離門(10)關閉，工藝腔體O)又處于等待下一片加工處理的空閑狀態；(7)經過預真空腔(9)的過渡，加工完成的晶圓片被送出，此后可從外部再取一片晶圓片，進行后續片的加工處理。
6.根據權利要求5所述一種使用真空腔的激光處理方法，其特征在于，在激光輻照開始之前，以及在激光輻照結束之后，為了加強換熱，向腔室內通入微量保護性氣體為氮氣或氛氣ο
全文摘要
本發明公開了屬于半導體制造設備和技術范圍的一種使用真空腔的激光處理裝置和處理方法。所述真空激光處理裝置包括真空工藝腔體，頂桿片托機構，真空系統及晶圓片的送取機構，激光輻照處理及冷卻處理裝置，本發明既能夠靈活應對不同工藝加工需求，又充分照顧到了激光處理的光作用特點。采用本發明真空激光處理腔，本身可執行激光退火或者激光再結晶處理；可執行薄膜的激光輔助沉積處理；當外部提供可移動式的燈光或者紅外加熱源的功率足夠時，也可執行薄外延的工藝處理。極大地提高了反應腔的實際應用價值。所述工藝腔除內部提供一定真空度的反應環境之外，側壁由于通冷卻液，成為“冷壁式”的反應腔，該特點尤其有利于薄膜沉積或者外延類的應用。
文檔編號H01L21/268GK102169810SQ20101062183
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月27日 優先權日2010年12月27日
發明者嚴利人, 劉朋, 周衛, 竇維治 申請人:清華大學