新型热处理设备的制作方法

技术领域

本文所描述的实施例涉及热处理的设备及方法。更具体地说，本文所描述的设备及方法涉及半导体衬底的激光热处理。

背景技术：

热处理常用于半导体工业。在许多转换环境(包括栅极、源极、漏极及沟道结构的掺杂、活化以及退火，硅化、结晶、氧化等转换环境)中，半导体衬底受到热处理。多年来，热处理技术已从简单的炉烘焙发展至日益快速增长的各种形式的热处理，诸如RTP、尖波退火及激光退火。

传统激光退火处理使用激光发射器，所述激光发射器可为具有光学器件的半导体激光或固态激光，所述光学器件聚焦、散焦或将激光不同地成像成所要形状。常见方法是将激光成像成线或薄矩形图像。跨越衬底扫描激光(或将衬底移动至激光下方)以处理衬底的整个表面。

随着装置几何形状持续缩减，诸如热处理的半导体制造工艺挑战在于发展增加的精度。在许多情况下，正在研究脉冲激光工艺以针对衬底减少总热预算及减少能量曝露的深度及持续时间。然而在产生具有能提供所要处理性能的时间形状的激光脉冲的同时，对于跨越衬底的表面的均匀处理所需的均匀性依然存在挑战。因此，仍旧需要用于半导体衬底的热处理的新设备及方法。

技术实现要素：

公开用于衬底热处理的系统。所述系统具有通常为多个激光的能量源，用于产生施加于衬底的能量场。使用脉冲控制模块组合及计量能量以形成组合能量脉冲。在脉冲成形模块中调整组合能量脉冲的时间形状。在均匀器中调整能量的空间分布。已调整的能量脉冲接着穿过用于沿着能量脉冲的光径观察衬底的成像系统。

每一能量源通常递送至少约10毫瓦的高功率能量脉冲，持续时间为约100纳秒或更少。脉冲控制模块具有组合光学器件，同时具有用于每一脉冲路径的衰减器，所述组合光学器件将两个能量脉冲组合成一个能量脉冲。诊断模块测量脉冲的能量含量及时间形状，用于反馈至将控制信号发送至衰减器的控制器。在具有分光器及反射镜路径的脉冲形成器中时间地调整组合脉冲，所述分光器将每一脉冲分成多个子脉冲，所述反射镜路径沿着具有不同长度的光径发送子脉冲，在出口处重新组合子脉冲。在具有至少两个微透镜阵列的均匀器中空间地调整脉冲。成像系统具有光学元件，所述光学元件捕获自衬底反射的光并将所述光发送至成像器。本文所描述的处理模块可提供成型能量场，所述成型能量场时间地经去相关且具有仅仅约4％的能量强度的空间标准差。

附图简要说明

因此，可详细理解本发明的上述特征结构的方式，即以上简要总结的本发明的更特定描述可参阅实施例获得，其中某些实施例图示于附图中。然而应注意，附图仅图示本发明的典型实施例，且因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其它等效的实施例。

图1为根据一个实施例的热处理设备的示意图。

图2A及图2B为根据两个实施例的脉冲控制器的平面图。

图2C至图2E为根据三个实施例的脉冲控制器及能量源的不同配置的示意图。

图3A为根据一个实施例的脉冲成形器的示意图。

图3B及图3C为图示使用图3A的脉冲成形器的脉冲时序及脉冲能量轮廓的图。

图3D为根据另一实施例的图3A的脉冲成形器的示意图。

图3E及图3F为图示使用图3D的脉冲成形器的脉冲时序及脉冲能量轮廓的图。

图3G为根据另一实施例的脉冲成形器的示意图。

图4A及图4B为根据两个实施例的均匀器的示意图。

图5A及图5B为孔构件的两个实施例的侧视图。

图6为根据另一实施例的成像系统600的示意图。

为了促进理解，在可能情况下已使用相同元件符号表示为诸图所共有的相同元件。应理解，公开于一个实施例中的元件可有益地使用于其它实施例而不再特别叙述。

具体实施方式

图1为用于衬底的激光处理的系统100的平面图。系统100包含：具有多个脉冲激光源的能量模块102，所述脉冲激光源产生多个脉冲激光脉冲；脉冲控制模块104，脉冲控制模块104将各个脉冲激光脉冲组合成组合脉冲激光脉冲，并控制所述组合脉冲激光脉冲的强度、频率特征及偏光性特征；脉冲成形模块106，脉冲成形模块106调整组合脉冲激光脉冲的脉冲的时间轮廓；均匀器108，均匀器108调整脉冲的空间能量分布，将组合脉冲激光脉冲重叠成单个均匀能量场；孔构件116，孔构件116从能量场移除残留边缘不均匀性；及对准模块118，对准模块118允许激光能量场与安置于衬底支撑件110上的衬底的精度对准。控制器112耦接至能量模块102以控制激光脉冲的产生，脉冲控制模块104控制脉冲特征，且衬底支撑件110控制衬底相对于能量场的移动。外壳114通常包覆系统100的操作部件。

激光可为能够形成短脉冲(例如持续时间小于约100纳秒)的任何类型的激光，所述激光具有高功率激光辐射。通常，使用大于约30M²的具有超过500个空间模态的高形态激光。虽然频繁地使用诸如Nd:YAG、Nd:玻璃、钛-蓝宝石或其它稀土掺杂晶体激光的固态激光，但是亦可使用诸如准分子激光的气体激光，例如XeCl2、ArF或KrF激光。例如可通过q-开关(被动或主动)、增益开关或模态锁定切换激光。亦可邻近激光的输出使用泡克耳斯盒(Pockels cell)以通过中断由激光发出的束形成脉冲。通常，可用于脉冲激光处理的激光能够产生激光辐射的脉冲，所述脉冲具有约100毫焦耳与约10焦耳之间的能量含量，持续时间为约1纳秒与约100微秒之间，通常约为1焦耳的能量含量和8纳秒的持续时间。激光可具有约200纳米与约2,000纳米之间的波长，诸如约400纳米与约1,000纳米之间，例如约532纳米。在一个实施例中，激光为q-切换倍频Nd:YAG激光。所有激光可在相同波长上操作，或激光的一或更多个可与在能量模块102中的其它激光的不同波长上操作。可放大激光以产生所要的功率水平。大多数情况下，放大媒体将为与激光媒体相同或类似的成分。每一单独的激光脉冲通常被自身放大，但在一些实施例中，全部激光脉冲可在组合后被放大。

递送至衬底的典型激光脉冲为多个激光脉冲的组合。在控制时间及彼此的控制关系中产生多个脉冲，以使得当组合所述多个脉冲时，激光辐射的单个脉冲导致单个脉冲具有受控制的时间及空间能量轮廓(所述轮廓具有受控制的能量上升、持续时间、及衰减)及受控制的能量不均匀性的空间分布。控制器112可具有脉冲产生器，例如耦接至电压源的电子定时器，所述电子定时器耦接至每一激光，例如耦接至每一激光的每一开关，以控制自每一激光产生脉冲。

布置多个激光以便每一激光产生进入脉冲控制模块104中的脉冲，所述脉冲控制模块104可具有一或多个脉冲控制器105。图2A为根据一个实施例的脉冲控制器200A的平面图。如上结合图1所述的一或多个脉冲控制器105可各为诸如图2A所图示的脉冲控制器200A的脉冲控制器。使用包含于外壳299中的光学器件以防止光污染，脉冲控制器200A将自能量模块102接收的第一输入脉冲224A及自能量模块102接收的第二输入脉冲224B组合成一个输出激光脉冲238。所述两个输入激光脉冲224A/B经由安置于外壳299的开口中的输入透镜202A及202B进入脉冲控制器200A。在图2A的实施例中，两个输入透镜202A/B沿着外壳299的一个表面对准，激光脉冲224A/B以实质地平行方向进入外壳299。

将两个输入脉冲224A/B引导至将两个脉冲组合成一个脉冲238的组合光学器件208。组合光学器件具有：第一进入表面207A，所述第一进入表面207A定向成垂直于入射脉冲226A的进入路径；及第二进入表面207B，所述第二进入表面207B定向成垂直于入射脉冲226B的进入路径，以避免在进入组合光学器件208之后输入脉冲226A/B的任何折射。图2A的组合光学器件208为具有选择表面209的晶体，所述选择表面209经定向以使得第一及第二入射脉冲226A/B各以接近45°的角撞击选择表面209。选择表面209有选择地根据光的性质与光相互作用。组合光学器件208的选择表面209可反射第一入射脉冲226A且透射第二入射脉冲以产生组合脉冲228。为促进脉冲的组合，调适入射脉冲226A/B中的每一个以按特定方式与选择表面209相互作用。

在一个实施例中，选择表面209为偏光表面。偏光表面可具有偏光性的线性轴，以使得平行于偏光表面的轴偏光入射脉冲226B允许待由偏光表面透射的入射脉冲226B，且垂直于偏光表面的轴偏光入射脉冲226A允许待由偏光表面反射的入射脉冲226A。将两个入射脉冲226A/B对准至偏光表面上的相同位置产生自组合光学器件208的第一出口表面207C出现的垂直于表面207C的组合脉冲228，以避免组合脉冲228的任何折射。或者，选择表面209可为圆形偏光器，相对于用于反射的圆形偏光器的指向圆形地偏光入射脉冲226A，且在与用于透射的圆形偏光器相同的指向中圆形地偏光入射脉冲226B。在另一实施例中，入射脉冲226A/B可具有不同波长，且选择表面209可经配置以诸如使用电介质反射镜反射一个波长的光及透射另一波长的光。

在偏光实施例中，使用诸如偏光滤光器这样的偏光器206A/B完成入射脉冲226A/B的偏光。偏光器206A/B偏光待由组合光学器件208的选择表面209有选择地反射或透射的输入脉冲224A/B。偏光器206A/B可为波片，例如半波片或四分之一波片，偏光轴定向成彼此垂直以产生用于在选择表面209处选择反射及透射的垂直偏振光。可例如使用旋转致动器205A/B独立地调整每一偏光器206A/B的轴线，以将入射脉冲226A/B的偏光与选择表面209的偏光轴精密地对准，或提供输入脉冲226A/B的偏光轴与选择表面209的偏光轴之间的所要偏角。

调整入射脉冲226A/B的偏光轴控制组合脉冲228的强度，因为根据马吕斯定律(Malus’Law)，偏光滤光器透射入射光，马吕斯定律认为由偏光滤光器透射的光的强度与入射强度及滤光器的偏光轴与入射光的偏光轴之间的角的余弦的平方成比例。因此，旋转偏光器206A以便偏光器206A的偏光轴背离垂直于选择表面209的偏光轴的方向，导致入射脉冲226A的部分透射穿过选择表面209。同样地，旋转偏光器206B以便偏光器206B的偏光轴背离平行于选择表面209的轴的方向，导致入射脉冲226B的部分自选择表面209反射。将来自入射脉冲226A/B中的每一个的“非选择的光”组合成拒绝脉冲230，所述拒绝脉冲230经由第二出口表面207D退出组合光学器件208并进入脉冲倾卸场210。以此方式，偏光器中的每一个作为减光器开关，以衰减穿过偏光滤光器的脉冲的强度。

应注意，将由组合光学器件208组合的两个脉冲226A/B引导至选择表面209的相对侧以用于选择反射及透射。因此，由反射器204沿着引出第一输入脉冲202A的路径将第一输入脉冲202A引导至选择表面209的反射侧，同时将第二输入脉冲202B引导至选择表面209的透射侧。可自然地使用反射器的任何组合以在脉冲控制模块104中沿着所要路径控制光。

组合脉冲228与第一分离器212相互作用，所述第一分离器212将组合脉冲228分离成输出脉冲238及取样脉冲232。分离器212可为部分反射镜或脉冲分离器。将取样脉冲232引导至诊断模块233，所述诊断模块233分析取样脉冲232的性质以表现输出脉冲238的性质。在图2A的实施例中，诊断模块233具有两个检测器216及218，所述两个检测器216及218分别检测脉冲的强度轮廓及脉冲的总能量含量。第二分离器214形成用于输入至各个检测器的第一脉冲236及第二脉冲234。强度轮廓检测器216为强度监视器，所述强度监视器在非常短的时间范围内将监视器上的光入射的强度形成信号。强度轮廓检测器上的光脉冲入射可具有自1皮秒(psec)至100纳秒的总持续时间，因此强度轮廓检测器在这些时间范围的有用的再分处显现强度信号，所述时间形状检测器可为光二极管或光二极管阵列。能量检测器218可为热电装置(诸如热电偶)，所述热电装置将入射电磁辐射转换成电压，所述电压可经测量以指示能量取样脉冲234的能量含量。因为第一分离器212及第二分离器214基于第一分离器212及第二分离器214的透射部分对入射光的已知部分进行取样，可根据能量取样脉冲234的能量含量计算输出脉冲238的能量含量。

可将来自诊断模块233的信号发送至图1的控制器112，所述控制器112可调整激光操作或脉冲控制操作以获得所要结果。响应于来自时间形状检测器216的结果，控制器112可调整耦接至每一激光的主动q-开关的电子定时器以控制脉冲时序。更快地循环主动q-开关产生更短脉冲，且反之亦然。控制器112可耦接至旋转致动器205A/B，以基于来自能量检测器218的结果，通过调整穿过偏光滤光器206A/B的光的偏光角调整输出脉冲238的强度。以此方式，可独立地控制输出脉冲238的持续时间及能量含量。控制器112亦可经配置以调整至每一激光的功率输入。

若需要，则输出脉冲238可由光闸220中断。若将中断自脉冲控制模块104出现的激光能量以对在脉冲控制模块104之后的部件做出调整，可提供光闸220(如图2A及图2B中示意地图示)作为安全装置。输出脉冲238经由输出透镜222退出脉冲控制模块104。

输出脉冲238为两个入射脉冲226A/B的组合。因此，输出脉冲238具有表现两个入射脉冲226A/B的性质的组合的性质。在如上所述的偏光实例中，输出脉冲238可具有椭圆偏光，所述椭圆偏光表现根据选择表面209处的入射脉冲226A/B中的每一个的透射/反射度具有不同强度的两个垂直偏光入射脉冲226A/B的组合。在实例中，在使用选择表面209处的入射波长以组合两个脉冲，输出脉冲238的波长将根据两个入射脉冲的各自的强度表现两个入射脉冲226A/B的组合波长。

举例而言，1,064纳米的反射电介质反射镜可被安置于组合光学器件208的选择表面209处。入射脉冲226A可具有用于自选择表面209反射的接近1,064纳米的波长及强度A，且入射脉冲226B可具有用于透射穿过选择表面209的532纳米的波长及强度B。组合脉冲228将为具有入射脉冲226A/B的波长及强度的两个光子的同向传播双脉冲，总能量含量为两个脉冲能量之和。

图2B为根据另一实施例的脉冲控制模块200B的平面图。如上结合图1所述的一或多个脉冲控制器105可各为诸如脉冲控制器200B或脉冲控制器200A这样的脉冲控制器。脉冲控制器200B与脉冲控制器200A相同，但具有下列差异。在图2B的实施例中，输入透镜202A并非位于相邻外壳299的相同表面上的输入透镜202B。在图2B中，输入透镜202A位于外壳299的表面上，所述表面与输入透镜202B位于的表面实质地垂直，在此实施例中输入透镜202A位于矩形外壳的相邻壁上。因此，第一输入脉冲224A经由第一输入透镜202A(图2B的页面的方向)进入且通过反射器转移至图2B的平面中，所述反射器在图2B的视图中由第一输入透镜202A隐藏。反射器240及反射器242定位输入脉冲224B进入偏光器206B，从而说明在任何所要路径上定位脉冲的反射器的使用。将脉冲导向在脉冲控制模块104周围可在定位激光能量源受空间所限的情况下是有益的。

图2C及图2D为图示具有多个脉冲控制器200A/B的实施例的示意图。在图2C的实施例中，具有图2A的脉冲控制器200A的配置的两个脉冲控制器与四个激光源102A至102D对准以形成两个组合脉冲238。在图2D的实施例中，形成具有位于彼此之间的所要距离“d”的两个组合脉冲238。两个脉冲控制器200C/D接受沿着图2D的平面的来自两个能量源102A及102C的输入脉冲，且接受垂直于图2D的平面的来自图2D的视图中不可见的两个能量源的输入脉冲。两个脉冲控制器200C/D与脉冲控制器200B相同，但具有下列差异。脉冲控制器200D经配置以使用输出反射器254引导输出脉冲244穿过输出透镜246。输出透镜246将输出脉冲244引导至脉冲控制器200C的输入透镜248中至脉冲控制器200C的反射器250及输出透镜252。以此方式，当退出脉冲控制模块104(图1)时，两个输出脉冲238可定位于相距彼此任何所要距离“d”。对于大多数实施例而言，距离“d”将介于约1毫米与约1,000毫米之间，诸如小于50毫米，例如约35毫米。如图2D所示，距离“d”可小于脉冲控制器200C的尺寸。

图2E为图2D的设备的示意性俯视图，示出其中以直角关系配置能量源102的实施例。在图2E中可见的能量源102B/D在图2D中为不可见。能量源102A/B产生用于在脉冲控制器200C中的处理的输入脉冲224A/B，同时能量源102C/D产生用于在脉冲控制器200D中的处理的输入脉冲224C/D。如图2D所图示布置脉冲控制器200C/D的输出脉冲，所述输出脉冲以所要距离“d”分开，所述距离“d”在图2E中为不可见。应注意，在一些实施例中，脉冲控制器200A至脉冲控制器200D可为脉冲组合器。

一或多个脉冲退出脉冲控制模块104并进入脉冲成形模块106，脉冲成形模块106具有一或多个脉冲成形器107，如图1示意地图示。图3A为脉冲成形器306的一个实施例的示意图。脉冲成形模块106的一或多个脉冲成形器107可各为诸如脉冲成形器306这样的脉冲成形器。图3A的脉冲成形器可包含多个反射镜352(例如，如所图示的16个反射镜)及多个分离器(例如，元件符号350A至元件符号350E)，用于延迟激光能量脉冲的部分以提供具有所要特征(例如，脉冲宽度及轮廓)的混合脉冲。在一个实例中，进入脉冲成形模块的激光能量脉冲302可为空间相干的。在穿过第一分离器350A之后，激光能量的脉冲分成两个成分，或子脉冲354A、子脉冲354B。不考虑各种光学部件中的损失，根据第一分离器350A中的透射反射比，第一子脉冲354A中某一百分比(亦即，X％)的激光能量转移至第二分离器350B，且当第二子脉冲354B在撞击第二分离器350B之前由多个反射镜352反射时，第二子脉冲354B的某一百分比(亦即，1-X％)的能量沿着路径A至E(亦即，部分A至E)行进。

在一个实例中，选择第一分离器350A的透射反射比以便将脉冲的能量的70％反射，且使脉冲的能量的30％透射穿过分离器。在另一实例中，选择第一分离器350A的透射反射比以便将脉冲的能量的50％反射，且使脉冲的能量的50％透射穿过分离器。路径A至E的长度，或部分A至E的长度之和(亦即，如图3A所图示，总长＝A+B+C+D+E)，将控制子脉冲354A与子脉冲354B之间的延迟。通常通过调整第一子脉冲354A与第二子脉冲354B之间的路径长度的差异，可实现每米路径长度差异的约3.1纳秒(ns)的延迟。

递送至第二脉冲350B的第一子脉冲354A中的能量经分离成第二子脉冲356A及第二子脉冲356B，所述第二子脉冲356A直接地透射至第三分离器350C，所述第二子脉冲356B在撞击第三分离器350C前沿着路径F至J传输。在第二脉冲350B中递送的能量亦分离成第三子脉冲358A及第三子脉冲358B，所述第三子脉冲358A直接地透射至第三分离器350C，所述第三子脉冲358B在撞击第三分离器350C前沿着路径F至J传输。当子脉冲的每一个撞击后续分离器(亦即，元件符号350D至元件符号350E)及反射镜352直到子脉冲全部重新组合在最后分离器350E中时，继续分离及延迟子脉冲中的每一个的过程，所述最后分离器350E经调适以主要地将能量递送至热处理设备100中的下一组件。最后分离器350E可为偏光分离器，所述分离器调整自延迟区域或自先前分离器接收的子脉冲中的能量的偏光，以便将能量的偏光以所要的方向引导。

在一个实施例中，波片364定位于偏光类型的最后分离器350E前，以便可以子脉冲所沿路径360旋转分离器350E的偏光。在不调整偏光的情况下，则能量的部分将由最后脉冲分离器反射而不能与另一分支重新组合。在一个实例中，脉冲成形器306中的全部能量为S-偏光的，且因此非偏光立方体分离器将输入脉冲分离，但为偏光立方体的最后分离器组合接收的能量。子脉冲所沿路径360中的能量将使所述能量的偏光旋转至P，所述能量直接穿过偏光脉冲分离器，同时另一子脉冲所沿路径362中的能量为S-偏光的且因此经反射以形成组合脉冲。

在一个实施例中，最后脉冲分离器350E包含非偏光分离器及反射镜，所述反射镜经定位以组合自延迟区域或自先前分离器接收的能量。在此情况下，分离器欲将能量的部分投射至所要点，将已接收的能量的另一部分透射至所述所要点，且反射镜将引导穿过分离器透射的剩下量的能量至相同的所要点。应注意，可通过在本文所图示的配置中添加脉冲分离类型部件及反射镜来改变分离及延迟脉冲的次数以获得所要脉冲持续时间及所要脉冲轮廓。尽管图3A图示脉冲成形器设计，所述脉冲成形器设计使用具有分离器及反射镜的四个脉冲延迟区域，但是此配置不欲限制本发明的范围。

图3B图示各种子脉冲的能量与时间图的实例，所述子脉冲已穿过双脉冲延迟区域脉冲成形器，所述双脉冲延迟区域类似于图3A所图示的脉冲成形器的前两个脉冲延迟区域。如图3B所图示，递送至脉冲成形器(图3A)的输入的脉冲列图案307具有等于t₁的单独脉冲持续时间。在此情况下，图案307A为第一脉冲列，图案307B为第二脉冲列，图案307C为第三脉冲列，且图案307D为第四脉冲列，所述第四脉冲列退出图3A的脉冲成形器306。通常，因为由于图3A所图示的脉冲成形过程，原始图案307的脉冲的此性质将保持相对不变，所以子脉冲中的每一个的持续时间将约为t₁。参阅图3B，可知图案307A的脉冲行进最短距离且图案307D的脉冲将行进最长距离穿过脉冲成形器306。在一个实例中，四个图案之和将递送具有脉冲的合成能量轮廓312，所述脉冲具有持续时间t₂，t₂比初始脉冲的持续时间t₁长。合成能量轮廓312将亦具有与原始脉冲307相比更低的每单位时间平均能量。图3C图示曝露至具有作为时间函数的轮廓312的脉冲能量的衬底的表面区域的预期温度分布曲线。应注意，根据系统中所选择的分离器中的每一个的透射反射比，可调整子脉冲的能量以递送所要脉冲轮廓。举例而言，通过选择更多可透射的而非可反射的分离器的组合，合成能量轮廓312的轮廓将具有更高的起动能量，所述起动能量将在合成轮廓脉冲312的末端下降。应注意，尽管图3B图示具有相同振幅的矩形形状脉冲，但是此不欲限制本发明的范围，因为可使用其它脉冲形状递送具有更合意轮廓的合成能量轮廓312。

图3D示意地图示本发明的另一实施例，本实施例用以通过使用两个或更多个同步能量源(例如，激光源102A至激光源102D)递送所要脉冲轮廓，所述同步能量源具有发送穿过脉冲控制模块106且发送至脉冲成形器306的输出，所述同步能量源各如上结合图1至图3C论述。在此配置中，控制器112使激光源102A至激光源102D的输出同步，以形成同步脉冲304作为至脉冲成形器306的输入，以便自脉冲成形器306出现的合成脉冲312将具有所要轮廓。合成脉冲312可包含每一个子脉冲的合成，每一个子脉冲的合成产生于脉冲伸展器组件306中、用于自激光源102A至激光源102D中的每一个递送的每一个同步脉冲。因为可使用任何脉冲轮廓提供最佳化退火工艺，所以由子脉冲307A至子脉冲307D形成的图3C所图示的合成脉冲312的轮廓或形状不欲限制本发明的范围。如图3E及图3F所图示，可通过改变脉冲同步实现替代合成脉冲形状，图3E及图3F图示不同的脉冲同步及不同的合成脉冲形状312及温度分布311。

图3G示意地图示脉冲成形器320的另一实施例，展示用于脉冲成形的进一步技术。在图3G的脉冲成形器320中，至少一些反射器自基准322或324移动以改变穿过脉冲成形器320的光的光径。可设定反射镜的位移为所要距离“X”以获得用于子脉冲的特定的时间位移。通常将成对地移动反射镜，在给定的反射镜对中的每一反射镜具有距离基准几乎相等的位移。反射镜对的位移可自然地不同以获得任何所要脉冲形状。在一个实施例中，第一反射镜对的位移x₁为约10毫米，第二反射镜对的位移x₂为约7.5毫米，第三反射镜对的位移x₃为约20毫米，且第四反射镜对的位移x₄为约15毫米。

在另一实施例中，可将自多个激光发出的全部脉冲引导至脉冲成形器中，而不首先穿过组合器。光学器件可用以使得脉冲密切实体邻近，以使得所述脉冲全部撞击脉冲成形器(例如图3A及图3D的脉冲成形器350A或脉冲成形器306A)的第一分离器。可将脉冲布置在例如方形配置这样的配置中，所述配置的尺寸小于脉冲成形器的第一分离器的截面尺寸，以使得脉冲全部行进穿过第一分离器。

将来自脉冲成形模块106的成形脉冲发送至均匀器108中。图4A为根据一个实施例的均匀器400的示意图。图1的均匀器108可为图4A的均匀器400。光束积分器组件410包含一对微透镜阵列404及406以及透镜408，所述微透镜阵列404及406以及透镜408均匀化穿过此积分器组件的能量。应注意，术语微透镜阵列，或蝇眼透镜，通常旨在描述包含多个相邻透镜的积分透镜阵列。如所设计，使用非相干源或宽的部分相干源，光束积分器组件410通常最好地工作，所述非相干源或宽的部分相干源的空间相干性长度比单个微透镜阵列的尺寸小得多。简而言之，光束积分器组件410通过在位于透镜408的背焦平面的平面处重叠微透镜阵列的放大的图像来均匀化光束。可校准透镜408以最小化像差，包括场畸变。

图像场的大小为第一微透镜阵列的孔的形状的放大的型式，其中放大因子由F/f₁给定，其中f₁为第一微透镜阵列404中的微透镜的焦距，且F为透镜408的焦距。在一个实例中，具有约175毫米焦距的透镜408及具有4.75毫米焦距的微透镜阵列中的微透镜用于形成11平方毫米场图像。

尽管可使用这些部件的许多不同组合，大体上最有效的均匀器将具有第一微透镜阵列404及第二微透镜阵列406，且两者相同。第一微透镜阵列404及第二微透镜阵列406通常间隔一距离，以便递送至第一微透镜阵列404的能量密度(瓦特/平方毫米)增加，或聚焦于第二微透镜阵列406上。然而当能量密度超过光学部件及/或放置于光学部件上的光学涂层的损坏阈值时，此举可对第二微透镜阵列406造成损坏。通常第二微透镜阵列406与第一微透镜阵列404相距距离d₂，距离d₂等于第一微透镜阵列404中的微透镜的焦距。

在一个实例中，每一微透镜阵列404、微透镜阵列406包含7921个微透镜(亦即，89×89阵列)，所述微透镜为方形且具有约300微米的边缘长度。透镜408或傅立叶透镜通常用以整合自微透镜阵列404、微透镜阵列406接收的图像，且与第二微透镜阵列406相距距离d₃。

在使用相干源或部分相干源的应用中，当使用光束积分器组件410时，各种干涉假影及衍射假影可能成为问题，因为所述假影在投射的光束的视野场中产生高强度区域或斑点，所述高强度区域或斑点可能超过各种光学部件的损坏阈值。因此，由于透镜或干涉假影的配置，光束积分器组件410及系统中的各种光学部件的使用寿命已成为关键设计及制造考虑事项。

随机漫射器402可放置于光束均匀器组件400前面或内部，以便关于输入能量A₁改善输出能量A₅的均匀性。在此配置中，在能量A₂、能量A₃及能量A₄分别由第一微透镜阵列404、第二微透镜阵列406及透镜408接收及均匀化之前，输入能量A₁由放置随机漫射器402来漫射。随机漫射器402将致使输入能量(A₁)的脉冲遍及角(α₁)的更广范围而分布以减少投射光束的对比度，且因此改善脉冲的空间均匀性。随机漫射器402通常致使穿过随机漫射器402的光传播，以便由第二微透镜阵列406接收的能量A₃的辐射照度(瓦/平方厘米)与不使用散射器相比更小。亦使用漫射器随机化撞击每一微透镜阵列的光束的相位。此额外随机相位通过展开不使用漫射器观察的高强度斑点来改善空间均匀性。一般而言，随机漫射器402为窄角光学漫射器，所述窄角光学漫射器经选择以便随机漫射器402不会以大于之前放置的透镜的接受角的角漫射脉冲中已接收的能量。

在一个实例中，选择随机漫射器402以便漫射角α₁小于第一微透镜阵列404或第二微透镜阵列406中的微透镜的接受角。在一个实施例中，随机漫射器402包含单个散射器，诸如在第一微透镜阵列404之前放置的0.5°至5°漫射器。在另一实施例中，随机漫射器402包含两个或更多个漫射板，诸如0.5°至5°漫射板，所述漫射板相距所要距离以进一步展开及均匀化脉冲的投射能量。在一个实施例中，随机漫射器402可与第一微透镜阵列404相距距离d₁，以便第一微透镜阵列404可接收输入能量A₁中递送的实质全部能量。

图4B为根据另一实施例的均匀器450的示意图。图1的均匀器108可为图4B的均匀器450。除以下方面之外，均匀器450与均匀器400相同。可使用第三微透镜阵列412代替使用随机漫射器402以改善输出能量的均匀性。

再次参阅图1，来自均匀器108的能量通常布置在诸如方形或矩形形状的图案中，所述图案近似适合衬底表面上的待退火的区域。应用于能量的处理及重新布置导致具有以下强度的能量场：所述强度偏离平均值仅仅约15％，诸如小于约12％，例如小于约8％。然而靠近能量场的边缘，由于整个设备中的各种的边界条件，可保存更显著的非均匀性。可使用孔构件116移除这些边缘非均匀性。孔构件116通常为具有开口的不透明物体，能量可以像所述开口一样的剖面形状穿过所述开口。

图5A为根据一个实施例的孔构件500的侧视图。图1的孔构件116可为图5A的孔构件500。孔构件500具有第一构件502，所述第一构件502对已选择形式的能量(诸如具有已选择波长的光或激光辐射)实质透明。可为不透明的或反射的能量阻隔构件504形成于第一构件502的表面的部分上方，能量阻隔构件504界定开口508，能量将以开口508的形状穿过开口508。第二构件506安置于第一构件502及能量阻隔构件504上方，覆盖开口508。第二构件506亦对待透射穿过孔构件500的能量实质透明，且可与第一构件502为相同材料。孔构件500的边缘由覆盖物510封闭，所述覆盖物510确保微粒不进入开口508。

定位孔构件500以使得能量阻隔构件504在入射在孔构件500上的能量的焦平面512处，确保能量场的精确截断。因为开口508定位在能量的焦平面处，所以收集在开口中的任何粒子，例如在第一构件502的表面上，投射影子在已透射能量场中，导致衬底的不均匀处理。用第二构件506覆盖开口508且封闭孔构件500的边缘确保附着于孔构件500的任何粒子足够远离焦平面以在最后能量场中不对准焦点，以便减小由于粒子的阴影的最后能量场的强度变化。

第一构件502及第二构件506通常由相同材料制得，所述相同材料通常为玻璃或石英。能量阻隔构件504可为不透明的部分或反射的部分，诸如金属、白色油漆或电介质反射镜。可形成及成形能量阻隔构件504，且使用诸如加拿大香脂的适当黏合剂将已形成且已成形的能量阻隔构件504涂敷于第一构件502上。或者，可在第一构件502上沉积能量阻隔构件504且接着蚀刻能量阻隔构件504以提供开口508。通常使用黏合剂将第二构件506涂敷于能量阻隔构件504上。

覆盖物510可为气体可渗透的或气体不可渗透的材料。覆盖物可为黏合剂或使用黏合剂涂敷的坚硬材料。或者，可通过熔化熔融第一构件502及第二构件506的边缘与能量阻隔构件504的边缘来形成覆盖物。

为避免孔构件500的折射效应，由能量阻隔构件504的内部边缘514界定的开口508的侧壁可为锥形的、角形的或倾斜的，以匹配自均匀器108出现的光子的传播方向。

图5B为根据另一实施例的孔构件520的侧视图。图1的孔构件116可为图5B的孔构件520。除了孔构件520不具中心开口508之外，孔构件520与图5A的孔构件500相同。孔构件520包含透射式构件522，能量阻隔构件504嵌入透射式构件522中。减少孔构件520中的不同媒介之间的界面数目可减少折射效应。能量阻隔构件504的内部边缘514在图5B的实施例中图示为锥形，如如上结合图5A所描述。

图5B的孔构件520可通过以下步骤得到：蚀刻或研磨围绕第一透射式构件的中央台的环形架子，使用诸如加拿大香脂的无光学活性黏合剂将环形能量阻隔构件黏合至环形架子，且接着将第二透射式构件黏合至能量阻隔构件及第一透射式构件的中央台。或者，能量阻隔构件可黏合至不具有中央台的第一透射式构件，且第二透射式构件由以下步骤形成：在能量阻隔构件及第一透射式构件的曝露部分上沉积材料；用透射式材料填充中央开口。透射式材料的沉积在此项技术中为熟知的，且透射式材料的沉积可使用任何已知沉积或涂覆工艺而实施。

孔构件可具有不同大小。可将具有更小孔的孔构件定位于邻近具有更大孔的孔构件以减少透射能量场的大小。可再次移除更小孔构件以使用更大孔。可提供具有不同大小的多个孔构件以允许改变能量场的大小，以退火具有不同大小的区域。或者，单个孔构件可具有变化的孔大小。可在透明外壳中形成两个矩形通道，且两对不透明的或反射的经致动半波片安置在矩形通道中以使得一对半波片会合于透明外壳的中央部分。所述对半波片可经定向沿着垂直轴线移动，以便通过在矩形通道中将每对半波片移动更靠近或进一步分开来形成具有变化大小的矩形孔。

孔构件500及孔构件520可放大或减小以任何所要方式穿过孔的光的图像。孔构件可具有1:1的放大因子，所述放大因子本质上无放大率，或可由约1.1:1与约5:1之间的因子(例如约2:1或约4:1)减小图像。减小大小可有利于一些实施例，因为可通过减小大小锐化图像能量场的边缘。放大约1:1.1与约1:5之间的因子(例如约1:2)可有利于一些实施例通过增加图像能量场的覆盖区域来改善效率及处理量。

再次参阅图1，成像光学器件118自孔构件116接收成形的、平滑的及截断的能量场，且将所述能量场投射至安置于衬底支撑件110的工作表面120上的衬底上。图6为根据一个实施例的成像系统600的示意图。图1的成像系统118可为图6的成像系统600。成像系统118具有透射模块602及检测模块616。透射模块602具有第一透射光学器件610及第二透射光学器件614，取样光学器件612安置于第一透射光学器件610与第二透射光学器件614之间。

取样光学器件612具有反射表面618，反射表面618光学地耦接至衬底支撑件及检测模块616。来自孔构件116的能量进入透射光学器件602，穿过第一透射光学器件610、取样光学器件612及第二透射光学器件614以照明安置于衬底支撑件110的工作表面上的衬底。自衬底反射的能量穿过第二透射光学器件614往回行进，且自取样光学器件612的反射表面618反射。将反射能量引导至检测光学器件616。

检测光学器件616具有第一导向光学器件604、第二导向光学器件606及检测器608。可操作第一导向光学器件604及第二导向光学器件606以在检测器608上的所要位置中定位自衬底反射的能量场。此举允许以增加精度成像检测器608处的能量场的各种部分。检测器608可为诸如光二极管阵列或CCD矩阵这样的观察光学器件，允许与衬底互相作用的能量场的可视化。当衬底由能量场照明时，可使用成像系统600观察衬底上的标记以促进将能量场与衬底上的所要结构对准。或者，当衬底未由能量场照明时，可提供恒定低强度周围光源以促进通过成像系统600观察衬底。可根据使用成像系统600的观察对衬底的x、y、z及θ定位进行光标调整以获得能量和衬底的精确对准、聚焦，以用于处理衬底的第一退火区域。然而，在控制器112的引导下通过衬底支撑件110自动地执行后续定位。

可提供诊断工具以在退火过程中指示衬底的性质。成像模块118或成像模块600可具有一或多个温度传感器618，用于指示作为温度函数的由衬底发射的辐射的强度。可使用高温计达到所述目的。成像模块118或成像模块600亦可具有一或多个表面吸收监视器622，用于指示衬底的吸收性的变化。通过测量用于退火衬底的波长中的反射光的强度，表面吸收监视器622将自更具反射的状态至更具吸收性的状态之间的状态下的改变形成信号，且反之亦然。可使用反射计达到这类目的。在一些实施例中，提供两个或更多个温度传感器及两个或更多个表面吸收监视器可允许比较用于经改良准确度的两个或更多个读数。

尽管两个诊断工具620及622图示于图6的成像模块600中，但是可在位置中安置任何数目的诊断工具以监视衬底的情况。在一些实施例中，可安置声音检测器或光声检测器或声音检测器及光声检测器两者，以检测衬底上的退火能量的声音效应。来自衬底的声音响应可用于指示衬底材料的状态改变，诸如相变。在一个实施例中，监听装置可检测衬底部分的熔化。

使用本文公开的方法将热能耦合至安置于衬底支撑件的工作表面上的衬底中。通过以短脉冲对衬底的表面的连续部分以约0.2焦耳/平方厘米与约1.0焦耳/平方厘米之间的平均强度施加电磁能来产生热能，短脉冲的持续时间为约1纳秒与约100纳秒之间，诸如约5纳秒与约50纳秒之间，例如约10纳秒。多个此类脉冲可施加于衬底的每一部分，以在下一脉冲到达之前允许穿过衬底的热能完全消散，所述脉冲之间的持续时间为约500纳秒与约1毫秒之间，诸如约1微秒与约500微秒之间，例如约100微秒。能量场通常覆盖的面积为约0.1平方厘米与约10.0平方厘米之间，例如约6平方厘米，从而每一脉冲的功率输送为约0.2MW与约10GW之间。在大多数的应用中，每一脉冲输送的功率将为约10MW与约500MW之间。输送的功率密度通常为约2MW/cm²与约1GW/cm²之间，诸如约5MW/cm²与约100MW/cm²之间，例如约10MW/cm²。施加于每一脉冲中的能量场具有的强度的空间标准差仅仅为平均强度的约4％，诸如小于约3.5％，例如小于约3.0％。

可使用具有多个激光的能量源102完成退火衬底主要需要的高功率及均匀性能量场的输送，所述多个激光发射容易被待退火的衬底吸收的辐射。在一个方面中，基于多个倍频的Nd:YAG激光使用具有波长为约532纳米的激光辐射。可将具有约50MW的单独功率输出的四个此类激光一起用于硅衬底的适当退火。

可通过中断能量束的产生或传播来形成能量脉冲。可通过跨越束的光径安置快速光闸来中断能量束。光闸可为在施加电压后能够在10纳秒或更少的时间内自透明变化至反射的LCD单元。光闸亦可为旋转穿孔片，其中穿孔的大小及间隔耦合至所选择的旋转速率以经由开口透射具有所选择持续时间的能量脉冲。此装置可附接至能量源本身或与能量源间隔开。可使用主动或被动q-开关或增益开关。亦可邻近激光定位泡克耳斯盒以通过中断由激光发射的激光束来形成脉冲。若希望，则可将多个脉冲产生器耦接至能量源以形成具有不同持续时间的脉冲周期序列。举例而言，可将q-开关施加于激光源，且可跨越由q-开关激光产生的脉冲的光径定位具有旋转光闸以形成具有不同持续时间的脉冲的周期图案，所述旋转光闸的周期性与q-开关的周期性相似。

通过增加脉冲的空间及时间模式的数目来减少脉冲的自相关。无论是空间相关还是时间相关，相关是不同光子在相位方面有关系的程度。若波长相同的两个光子穿过空间以相同方向传播，且此两个光子的电场矢量同时指向相同方向，则不考虑空间关系，那些光子时间相关。若所述两个光子(或两个光子的电场矢量)位于垂直于传播方向的平面中的相同点处，则不考虑任何时间相位关系，此两个光子空间相关。

相关与相干有关系，且几乎可替换地使用这些术语。光子的相关产生了减少能量场的均匀性的干涉图案。相干长度定义为距离，超过所述距离空间的或时间的相干或相关降到某一阈值以下。

可通过以下步骤使脉冲中的光子时间上去相关：使用连续分离器将脉冲分离成许多子脉冲，且使每一子脉冲沿着具有不同光径长度的不同路径传播，以使得任何两个光径长度之间的差异大于原始脉冲的相干长度。此举很大程度上确保：由于归因于与行进距离相干的自然下降，在不同路径长度之后，最初相关的光子可能具有不同相位。举例而言，Nd:YAG激光及Ti:蓝宝石激光通常产生具有几毫米的数量级的相干长度的脉冲。分离此类脉冲及沿着具有超过几毫米的长度差异的路径发送每一脉冲的部分将产生时间去相关。沿着具有不同长度的多反射路径发送子脉冲为一种可使用的技术。沿着具有由不同折射率界定的不同有效长度的多折射路径发送子脉冲为另一种技术。结合图3A、图3D及图3G所描述的脉冲成形模块可用于脉冲的时间去相关。

可通过自脉冲产生能量场及重叠能量场的部分来获得空间去相关。举例而言，可将能量场的部分单独地成像至相同区域上以形成空间去相关图像。此举很大程度上确保将任何最初相关光子在空间上分开。在一个实例中，可将方形能量场分成方形部分的棋盘样式8×8取样，且成像至场上的每一方形部分与原始能量场大小相同以使得全部图像重叠。重叠图像的数目更多，去相关的能量更多，产生更均匀的图像。图4A及图4B的均匀器400及均匀器450可有利于空间上去相关脉冲。

在如上所述的去相关操作之后成像的激光脉冲通常具备具有均匀能量强度的截面。根据精确实施例，根据上述过程处理的脉冲能量场的截面能量强度可具有约3.0％或更小的标准差，诸如约2.7％或更小，例如约2.5％。能量场的边缘区域将展示衰减能量强度，所述衰减能量强度可沿一尺寸衰减1/e，所述尺寸小于能量场的尺寸的约10％，诸如小于能量场的尺寸的约5％，例如小于能量场的约1％。可使用诸如图5A及图5B的孔构件500及孔构件520这样的孔截断边缘区域，或可允许边缘区域在处理区域外照明衬底，例如在衬底上的装置区域之间的切割空间。

若截断能量场，则通常跨越脉冲的光径定位孔构件以修整不均匀的边缘区域。为获得图像的整齐截断，孔位于靠近能量场的焦平面处。可通过将孔内部边缘锥形化来最小化孔内部边缘的折射效应以匹配脉冲中光子的传播方向。可通过插入或移除具有所要大小及/或形状的孔构件来使用具有不同孔大小及形状的多个可移除孔构件改变孔的大小及/或形状。或者，可使用可变的孔构件。

可将能量场引导至衬底的部分以退火衬底。若希望，则可通过沿着能量场的光径观察衬底表面来将能量场与诸如衬底表面上的对准标记这样的结构对准。可将来自衬底的反射光捕获并引导至观察装置，诸如相机或CCD矩阵。诸如单向反射镜的反射表面，如图6的成像系统600中的反射表面，可沿着能量场的光径安置以捕获反射光。

可通过在处理期间观察由衬底发射、反射或透射的辐射来监视衬底的热态。由衬底发射的辐射指示衬底的温度。由衬底反射或透射的辐射指示衬底的吸收性，所述吸收性转而使衬底的物理结构中的自反射的状态至吸收性的状态的改变形成信号，且反之亦然。可通过比较使用多个装置的结果改善来自此类装置的信号的准确度。

热处理设备可具有：电磁能的源，可操作所述电磁能的源以产生电磁能的脉冲；光学系统，所述光学系统包含脉冲组合器、脉冲成形器、均匀器及经定位以接收来自源的电磁能的脉冲的孔构件；衬底支撑件，可操作所述衬底支撑件以关于光学系统移动衬底；及成像系统，可操作所述成像系统以沿着光学系统的光径观察衬底。

用于组合电磁能的脉冲的设备可具有：第一能量输入端；第二能量输入端；第一光学器件，所述第一光学器件用于将第一性质给予第一能量；第二光学器件，所述第二光学器件用于将第二性质给予第二能量；选择表面，所述选择表面基于第一性质及第二性质反射或透射能量；导向光学器件，所述导向光学器件用于将第一能量导向至选择表面的第一侧上的第一位置且将第二能量导向至选择表面的相对选择表面的第一侧的第二侧上的第二位置，其中第一位置与第二位置对准；及诊断模块，所述诊断模块光学地耦接至选择表面。

热处理系统可具有：多个激光能量源，所述激光能量源各具有耦接至电子定时器的主动q-开关；至少两个组合器，所述组合器光学地耦接至激光能量源，每一组合器具有选择光学器件，所述选择光学器件具有选择表面；光学系统，所述光学系统将来自激光能量源的光引导至选择表面的相对侧；及均匀器，所述均匀器包含至少三个微透镜阵列。

衬底处理系统可具有：电磁能的源；光学系统，所述光学系统用于聚焦电磁能；及孔构件，所述孔构件具有嵌入所述孔构件中的反射部分，反射部分具有开口，电磁能投射穿过所述开口，反射部分的表面定位于电磁能的焦平面处。

可通过将电磁能的场引导至衬底的部分来处理衬底，电磁能的场包含来自多个激光的光，已通过穿过组合光学器件的选择表面的两侧来组合所述多个激光，所述多个激光已在时间上去相关、在空间上去相关且穿过光学地耦接至衬底的反射器。

亦可通过以下步骤处理衬底：将电磁能的场引导至衬底的部分，所述场包含来自两个或更多个激光的脉冲光；使用光二极管检测场的时间形状；使用热电检测器检测场的能量含量；基于由光二极管检测的时间形状调整激光中的一或多个激光的脉冲时序；且基于由热电检测器检测的场的能量含量衰减激光中的一或多个。

亦可通过以下步骤处理衬底：通过组合来自两个或更多个激光的偏光及在时间上及空间上对光去相关，形成能量场，所述能量场具有仅仅为约3％的强度不均匀性的空间标准差及至少为约0.2焦耳/平方厘米的能量含量；将所述能量场以脉冲引导至衬底表面的第一部分；移动衬底；且将能量场引导至衬底表面的第二部分。

亦可通过以下步骤处理衬底：将电磁能的成形的场经由光学地耦接至衬底的反射器引导至衬底；通过观察使用反射器自衬底反射的光来检测衬底及能量场的对准；及调整衬底与能量场的对准。

尽管前述内容针对本发明的实施例，但是可设计其它及进一步实施例而不偏离本发明的基本范围，且本发明的范围由下述权利要求书确定。