本发明专利技术公开了属于半导体制造设备和技术范围的一种对冷却过程进行精确控制的激光热处理装置和方法。利用具备一定长度的圆柱体腔，在圆柱体腔中设置好逐渐变冷的温度场，先由输出稳定激光器对晶圆片表面进行扫描热处理，之后晶圆片以一定的速度通过这样的温度场，圆片将在受控状态下逐渐冷却，实现各类激光热处理过程中，对于冷却过程的精确控制。由于专门针对晶圆片冷却的过程进行设计与控制，采用本发明专利技术的装置和方法，将对激光热处理加工工艺起到更好的控制作用，保障工艺质量，并提高工艺的稳定性与重复性。特别地，可提供传统处理中所不具备的缓慢冷却的功能，提高材料晶格质量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体制造装置与技术范围，特别涉及一种对冷却过程进行精确控制 的激光热处理装置和方法。
技术介绍
激光作用于半导体晶圆片，对半导体晶圆片的表面进行加工处理，一般可分成两 类作用。一类作用涉及向晶圆片表面的局部输送大量的激光能量，导致材料的熔化、蒸发， 如激光划片、钻孔、切割等；另一类的能量密度较小，是需要对晶圆片的所有表面进行的，例 如激光退火，非晶材料的激光再结晶等。本专利技术所称的激光热处理，指的是后面一类。在激光热处理工艺中，为了防止热量积聚，在片内接近表面处形成较大的温度梯 度而造成表面形貌损坏，通常也采用衬底辅助加热的方法，使得晶圆片本身处于一定的高 温温度，从而减小热应力的影响。对于激光热处理过程来说，除去激光辐照晶圆片表面，造成晶圆片温度有所升高 之外，必然还会包括晶圆片逐渐降温至室温的过程，这样的降温过程，对于最终的退火或者 再结晶的质量，尤为重要。举例来说，如果采用急冷方式，那么原始晶圆片表面处的缺陷损 伤，会被“冻结”在原位，缺陷原子无法充分运动至晶格位置处，影响最终退火或者再结晶的 工艺质量。从当前激光热处理技术来看，很多专利技术都只强调激光作用在晶圆片表面的升 温的过程，不涉及对晶圆片冷却过程进行控制的问题。本专利技术与传统技术不同，专门对晶圆 片冷却的过程进行设计与控制，提供了这样的装置和技术方法，可以对激光热处理加工工 艺起到更好的控制作用，保障工艺质量，并提高工艺的稳定性与重复性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，其 特征在于，在激光热处理工艺中，采用集成性的激光热处理装置同时对晶圆片的冷却过程 进行精确控制；所述集成性的激光热处理装置既用于激光热处理，也用于对晶圆片的冷却 过程进行控制，即两种工艺过程都用同样的装置来完成；该激光热处理装置的主体为一个 圆柱体腔7，在圆柱体腔7的外壁上部盘绕加热炉丝6，下部盘绕冷却液管11，这样在加热炉 丝和冷却液管的共同作用下，可在圆柱腔体内部形成从上至下递减的温度场，温度值在室 温至500°C范围内。在圆柱体腔7的上顶面为对激光束透明的窗口 4，采用激光束1扫描的方式，在晶 圆片不动的情况下进行圆片整个表面积的激光热处理；在圆柱体腔顶端的侧面设置向外延伸的晶圆片入口 2，以及配备的晶圆片送入圆 柱体腔用机械手3 ；当激光热处理过程结束后，圆柱体腔室内的顶杆9升起，从机械手3处 接过晶圆片晶圆片放在顶杆顶部的片托5上，并带着晶圆片向下通过渐冷的温度场区。在圆柱体腔室的底端，侧方设置向外延伸的晶圆片出口 8，当顶杆9降至圆柱体腔最低端时，由此处取出已经加工好的晶圆片。所述加热炉丝和冷却液管11均为根据圆柱腔体内部从上至下递减的温度场分布 分别分段盘绕或疏密渐变盘绕。，其特征在于，具体步骤 如下(1)开启激光器，等待激光器输出稳定后对晶圆片表面进行扫描；同时对各组加 热炉丝6施加电功率，冷却液管11通冷却液，在圆柱体腔室7中建立稳定的从上至下递减 的渐变温度场；(2)机械手3将晶圆片从晶圆片入口 2送入圆柱体腔7内顶部，待晶圆片温度稳定 后，晶圆片将通过透明窗4接受激光光束1辐照，激光光束进行二维扫描移动，从而晶圆片 的全部表面均可被激光束所处理；(3)激光处理结束后，圆柱体腔内的顶杆9升起，从机械手中接过晶圆片，机械手3 退出，顶杆9下降，并且在设定速度下通过腔体内已经设置好的渐冷却温度场，使得晶圆片 的冷却过程在受控的状态下进行；(4)当晶圆片处于顶杆9顶部的片托5上，逐渐冷却的同时，机械手3送入下一片 晶圆片，进行激光辐照热处理；(5)晶圆片冷却以后，顶杆9移动至主体腔室底端，这时取片机械手，可通过晶圆 片出口8取出已经加工完成的晶圆片；顶杆9和片托5又可以用于后续晶圆片的受控冷却。(6)上述加工过程循环往复地进行，可以并行地完成成批晶圆片的加工。所述在加工过程循环往复地进行中，如果是前一片完成冷却要晚于后一片完成激 光照射的时刻，则机械手3在送入后一片晶圆片之前，可以略作等待；反之，则是顶杆9略作 等待，待激光处理完成后再接过晶圆片进行冷却，由计算机程序控制。所述晶圆片在进行冷却时，晶圆片冷却的过程是由顶杆9在圆柱体腔内上下移动 的速度和温度场的设定共同决定。所述加工过程中圆柱体腔内通l-2L/min的氮气进行保护。本专利技术的有益效果是，与传统方法仅仅依赖自然冷却不同，本专利技术的装置和方法 对晶圆片的冷却过程可以进行设计与控制，对于退火或者再结晶这样的激光热处理过程， 可以提供更好的工艺效果控制，更好地保障工艺质量，提高工艺的稳定性与重复性。特别 地，利用本专利技术的装置与方法，可以设定晶圆片极缓慢冷却，而这种冷却模式是传统技术无 法实现的。附图说明图1为对晶圆片冷却过程进行控制的集成性的激光热处理装置的示意图。 具体实施例方式本专利技术提供，具体的装置 示意如图1所示。在图1中，晶圆片的冷却过程在圆柱体腔7中完成，圆柱体腔7可采用石英或SiC 等材料制成，呈圆柱体管状，炉管总长度50厘米至2米。在圆柱体腔7的上、下端设置晶圆片进口 2和晶圆片出口 8，并且各自向外延伸形 成晶圆片进入、取出工艺腔室的通路。圆柱体腔两端的结构，包括向外延伸出的进出片通 路，可以采用圆柱体腔7同样的材料制成，也可换用其他材料。图1示意了进出片通路的配置情况，也可以采用其他变化的形式，例如晶圆片从 左方进入，从右方取出，等等。在圆柱体腔7的外侧壁，环绕分组的电炉丝6和冷却液管11，均为根据圆柱腔体内 部从上至下递减的温度场分布分别分段盘绕或疏密渐变盘绕，以在圆柱体腔内形成从上至 下渐冷的控温场。圆柱体腔的上端面4，采用对于热处理激光束是透明的材料制成，石英材料是一种 比较好的选择，对于绝大多数目前在用的激光束都是可以透过的。对晶圆片进行热处理的激光束1，可由机械装置带动光学的折反射元件，形成二维 的扫描动作。这里所采用的机械装置，类似于绘图仪中带动绘图笔在纸面上移动的机构，只 是这里具体进行移动的是激光光束。晶圆片经过激光热处理后，顶杆9升起，通过片托5接过晶圆片，并以设定速度下 降通过预设的逐渐降温的温度场，实现对晶圆片冷却过程的精确控制。本专利技术所说的冷却过程受控的激光热处理方法，具体步骤举例说明如下(1)设定装置进入工作状态。也就是开启激光器，等待激光器输出稳定，可以对晶 圆片表面进行扫描；同时对各组加热炉丝6施加电功率，底端管路11通冷却液，在圆柱体腔 室7中建立稳定的渐变温度场。(2)机械手3带晶圆片送入，经过通路2进入到腔室7，待晶圆片温度稳定后，在腔 室的顶部，晶圆片将通过透明窗4接受激光光束1辐照，激光光束可以进行二维扫描移动， 从而晶圆片的全部表面均可被激光束所处理；在加工过程中，圆柱体腔内通l-2L/min的氮 气进行保护。(3)激光处理结束后，顶杆9升起，从机械手中接过晶圆片。机械手3退出，顶杆 9下降，并且在设定速度下通过腔体内已经设置好的渐冷却温度场，使得晶圆片的冷却过程 在受控的状态下进行。(4)当晶圆片处于顶杆9顶部的片托5上，逐渐冷却的同时，机械手3又可以送入 另一片晶圆片，进行激光辐照热处理。(5)晶圆片冷却以后，顶杆9移动至主体腔室底端，这时取片机械手，可通过通路8 取出已经加工完成的晶圆片。顶杆9和片托5又可以用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种对冷却过程进行精确控制的激光热处理装置，其特征在于，在激光热处理工艺中，采用集成性的激光热处理装置同时对晶圆片的冷却过程进行精确控制；所述集成性的激光热处理装置既用于激光热处理，也用于对晶圆片的冷却过程进行控制，即两种工艺过程都用同样的装置来完成；该激光热处理装置的主体为一个圆柱体腔（７），在圆柱体腔（７）的外壁上部盘绕加热炉丝（６），下部盘绕冷却液管（１１），这样在加热炉丝和冷却液管的共同作用下，可在圆柱腔体内部形成从上至下递减的温度场，温度值在室温至５００℃范围内。在圆柱体腔（７）的上顶面为对激光束透明的窗口（４），采用激光束（１）扫描的方式，在晶圆片不动的情况下进行圆片整个表面积的激光热处理；在圆柱体腔顶端的侧面设置向外延伸的晶圆片入口（２），以及配备的晶圆片送入圆柱体腔用机械手（３）；当激光热处理过程结束后，圆柱体腔室内的顶杆（９升起，从机械手（３）处接过晶圆片晶圆片放在顶杆顶部的片托（５）上，并带着晶圆片向下通过渐冷的温度场区。在圆柱体腔室的底端，侧方设置向外延伸的晶圆片出口（８），当顶杆（９）降至圆柱体腔最低端时，由此处取出已经加工好的晶圆片。
【技术特征摘要】
1.一种对冷却过程进行精确控制的激光热处理装置，其特征在于，在激光热处理工艺 中，采用集成性的激光热处理装置同时对晶圆片的冷却过程进行精确控制；所述集成性的 激光热处理装置既用于激光热处理，也用于对晶圆片的冷却过程进行控制，即两种工艺过 程都用同样的装置来完成；该激光热处理装置的主体为一个圆柱体腔(7)，在圆柱体腔(7) 的外壁上部盘绕加热炉丝(6)，下部盘绕冷却液管(11)，这样在加热炉丝和冷却液管的共 同作用下，可在圆柱腔体内部形成从上至下递减的温度场，温度值在室温至500°C范围内。在圆柱体腔(7)的上顶面为对激光束透明的窗口 G)，采用激光束(1)扫描的方式，在 晶圆片不动的情况下进行圆片整个表面积的激光热处理；在圆柱体腔顶端的侧面设置向外延伸的晶圆片入口 O)，以及配备的晶圆片送入圆柱 体腔用机械手(3)；当激光热处理过程结束后，圆柱体腔室内的顶杆(9升起，从机械手(3) 处接过晶圆片晶圆片放在顶杆顶部的片托(5)上，并带着晶圆片向下通过渐冷的温度场 区。在圆柱体腔室的底端，侧方设置向外延伸的晶圆片出口(8)，当顶杆(9)降至圆柱体腔 最低端时，由此处取出已经加工好的晶圆片。2.根据权利要求1所述一种对冷却过程进行精确控制的激光热处理装置，其特征在 于，所述加热炉丝和冷却液管(11)均为根据圆柱腔体内部从上至下递减的温度场分布分 别分段盘绕或疏密渐变盘绕。3.—种对冷却过程进行精确控制的方法，其特征在于，具体步骤如下(1)开启激光器，等待激光器输出稳定后对晶圆片表面进行扫描；同时对各组加热炉 丝(6)施加电功率，冷却液管(11)通冷却液，在圆柱体腔室(7)中建立稳定的从上至下递 减的渐...
【专利技术属性】
技术研发人员：严利人，周卫，刘朋，窦维治，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
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