一种激光退火方法和具备自主冷却功能的多孔吸盘与流程

1.本技术涉及半导体行业激光退火技术领域，具体涉及一种激光退火方法和具备自主冷却功能的多孔吸盘。


背景技术：

2.在进行半导体芯片制造时，会对某些器件的薄片晶圆背面进行离子注入掺杂：将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，在半导体中注入相应的杂质原子(如在硅中注入硼、磷或砷等)；再经过退火后，可改变其表面电导率或形成pn结。离子注入掺杂会对晶格造成严重的损伤，所掺杂的杂质离子未能位于正确的晶格位置，因此并不具备有效的电活性，此时需要再对材料进行加热处理，以修复晶格损伤，同时激活杂质电活性，这种加热处理工艺即为退火。
3.激光退火，是指利用脉冲信号的激光输出对材料进行退火处理的工艺方法。由于瞬时温度高、作用时间短、热预算低的优势，激光脉冲退火能够很好地满足高效激活的工艺要求。尤其是，对于新一代功率器件，例如igbt，因采用电场中止(fieldstop)技术，可以将衬底研磨得很薄来降低通态损耗，通常的薄片晶圆厚度在40
‑
200μm，在这种薄片/超薄片(小于100μm)上进行背面退火时，一方面为保证器件正面的铝不会因为高温熔化，要求工艺温度必须控制在450℃以内；另一方面，薄片/超薄片的刚度相比标准厚度薄片晶圆(725μm)要小很多，在热加工的过程中更易发生碎裂，退火过程中既需要满足一定热预算条件下工艺热加工需求(即杂质激活)，又需要保证不发生碎片。
4.在时序输出上，激光脉冲是以重复频率f进行能量输出，输出信号如图1所示，纵坐标为功率密度p(w)，一个脉冲周期时间为t(t＝1/f)，脉冲的形状可以是矩形和类三角形或近高斯。
5.由于激光线斑尺寸的限制，如果要对整个薄片晶圆背面进行退火，就必须使激光的线斑与薄片晶圆之间产生相对运动，随着时间的推移，激光一方面沿着线斑宽度方向扫描，另一方面沿着长度方向步进，直至其移动痕迹覆盖整个薄片晶圆背面。
6.如图2所示，激光退火所采用的设备系统，其核心模块主要包括：(1)用于退火的和光路传输的光学系统；(2)用于承载薄片晶圆的吸盘；(3)用于带动卡盘和薄片晶圆运动的载片台。
7.如图3所示，由激光器输出的原始光束，经特定的精密光学系统进行整形，将整形好的线斑通过镜头投射到薄片晶圆表面，由载片台带动卡盘和薄片晶圆进行步进和逐行扫描运动，直至扫完整片薄片晶圆，从而实现对整片薄片晶圆的激光退火。
8.如图2所示，由于薄片晶圆与吸盘紧密吸合，因此在激光退火工艺过程中，吸盘也承担着为薄片晶圆进行散热的重要功能。随着激光的照射，晶圆不断升温，需要吸盘与晶圆之间进行热交换；显然吸盘的温度越低，热交换的效率就越高。
9.现有的技术方案中，多孔吸盘均不具备自主冷却功能，因而随着热交换的进行，吸盘的温度也不断升高，热交换的效率随之降低。这样就无法对晶圆内部的残余热量进行有
效消除，导致晶圆内部的热量容易不断积累；晶圆越薄，其因为热量积累导致的碎片风险越高，使薄片晶圆在退火过程中的工艺不稳定性增加。特别是对薄片/超薄片薄片晶圆而言，退火过程中既需要满足一定热预算条件下的激光退火需求(即杂质激活)，又需要保证不发生碎片，不具备冷却功能的多孔吸盘已经难以满足更广范围的工艺加工需求。


技术实现要素：

10.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种激光退火方法和具备自主冷却功能的多孔吸盘。
11.根据本技术实施例的第一方面，提供一种激光退火方法，该方法包括：
12.通过所述真空吸附接口向所述盘面提供负压，使晶圆吸附于所述盘面；
13.对晶圆进行激光退火，同时通过冷却介质对所述多孔吸盘进行冷却；
14.其中，所述多孔吸盘内部设置有冷却介质通道。
15.进一步地，通过冷却介质对所述多孔吸盘进行冷却，具体包括：
16.将冷却介质从所述冷却介质入口输入到所述冷却介质通道中，以使冷却介质在所述冷却介质通道中进行热交换；
17.持续输入冷却介质，使冷却介质流经整个所述冷却介质通道后，从所述冷却介质出口流出。
18.进一步地，所述通过冷却介质对所述多孔吸盘进行冷却，还包括：
19.将所述冷却介质出口流出的冷却介质输送到制冷机进行冷却处理；
20.将经过制冷机处理后的冷却介质再次输送到所述冷却介质入口，使冷却介质在制冷机与所述冷却介质通道之间进行循环。
21.进一步地，经过制冷机处理后的冷却介质的温度为t0，温度t0低于环境温度。
22.进一步地，对所述多孔吸盘进行冷却，还包括：
23.实时检测所述多孔吸盘的温度，获得当前温度t
d
；
24.如果当前温度t
d
高于设定值t1，加快冷却介质的流速；如果当前温度t
d
低于设定值t1，减小冷却介质的流速。
25.进一步地，所述加快/减小冷却介质的流速，具体包括：
26.根据当前温度t
d
与设定值t1的比值k确定冷却介质的流速，所述冷却介质的流速与k的值正相关。
27.根据本技术实施例的第二方面，提供一种具备自主冷却功能的多孔吸盘，包括：吸盘本体；
28.所述吸盘本体的第一侧面设置有多孔材料制成的盘面；
29.所述吸盘本体的第一侧面与所述盘面之间设置有冷却介质通道；
30.所述吸盘本体的第二侧面设置有冷却介质入口、冷却介质出口、真空吸附接口；所述冷却介质入口、所述冷却介质出口分别与所述冷却介质通道相连通；所述真空吸附接口与所述盘面相连通。
31.进一步地，所述盘面为多孔材料制成，其孔隙率为25％～65％；
32.所述吸盘本体与所述盘面均为圆形，所述吸盘本体的圆心与所述盘面的圆心重合；所述真空吸附接口设置于所述吸盘本体的第二侧面的圆心位置。
33.进一步地，所述盘面的直径小于所述吸盘本体的直径；所述吸盘本体的第一侧面上未被所述盘面覆盖的环形区域形成固定部，所述固定部上设置有定位孔。
34.进一步地，所述固定部上设置有多个紧固结构；多个所述紧固结构沿着圆周均匀地间隔设置。
35.本技术的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
36.本技术的方案能够通过冷却介质对吸盘进行自主冷却，降低吸盘的温度，以提高吸盘和晶圆之间的热交换效率，使薄片晶圆因为激光退火造成的热量积累能够快速散除，从而降低薄片晶圆因为热积累而导致的碎片风险，提高工艺生产过程中的稳定性。
37.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
38.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
39.图1是激光脉冲时序示意图。
40.图2是激光退火设备核心模块结构示意图。
41.图3是激光扫描退火工艺原理示意图。
42.图4是多孔吸盘与晶圆结合部的示意图。
43.图5是本发明一种激光退火方法的流程图。
44.图6是本发明的多孔吸盘的正面示意图。
45.图7是本发明的多孔吸盘的背面示意图。
46.图8是不同孔隙率多孔材料与薄片晶圆接触截面示意图。
47.图9是冷却吸盘25℃(298.15k)晶圆背面温度变化图。
48.图10是冷却吸盘0℃(273.15k)晶圆背面温度变化图。
49.图11是冷却吸盘
‑
20℃(253.15k)晶圆背面温度变化图。
50.图12是50％孔隙率不同吸盘冷却温度的晶圆背面温度变化图。
51.图13是30％孔隙率不同吸盘冷却温度的晶圆背面温度变化图。
52.附图标记说明：1
‑
盘面；2
‑
冷却介质入口；3
‑
冷却介质出口；4
‑
真空吸附接口；5
‑
紧固结构；6
‑
定位孔。
具体实施方式
53.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
54.为进一步详述本技术的技术方案，首先具体解释吸盘与晶圆之间进行热交换的过程及原理。
55.激光退火系统中，吸盘的结构为：先采用特殊的粉体制造工艺生产出均匀的实心或者真空球体，再通过高温烧结在材料内部生成大量彼此连体或闭合的多孔材料吸盘本
体。多孔吸盘一般具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、机械强度高、易于再生和优良的抗热震性等优点。
56.如图4所示，因为需要气孔形成负压对薄片晶圆进行吸附，所以激光退火设备吸盘一般设计为多孔。这意味着在激光进行热加工之后薄片晶圆内部残留的热量，一方面通过薄片晶圆和室温(298.15k)空气接触的上表面(激光退火面)进行热对流散热；另一方面，因为多孔材质，薄片晶圆下表面与多孔吸盘接触面为空气与固体混合接触面，所以可以通过薄片晶圆和室温(298.15k)多孔吸盘接触的下表面进行热传导和热对流散热。
57.不具备自主冷却功能的多孔吸盘存在两个问题：(1)多孔吸盘经过薄片晶圆热传导后，本身的热量只能积聚在多孔吸盘内部，导致激光退火过程中，多孔吸盘的温度逐渐升高，热交换能力逐渐减弱；(2)由于薄片晶圆只能和温度不低于室温(298.15k)的多孔吸盘进行热交换，这也限制了多孔吸盘对薄片晶圆的热交换效率。
58.在进行薄片晶圆的激光退火工艺中，普通的吸盘受限于无法主动对晶圆内部的残余热量进行有效消除，晶圆内部的热量容易不断积累，晶圆越薄，其因为热量积累导致的碎片风险越高，使薄片晶圆在退火过程中的工艺不稳定性增加。特别是对薄片/超薄片薄片晶圆而言，退火过程中既需要满足一定热预算条件下的激光退火需求(即杂质激活)，又需要保证不发生碎片，现有的无冷却功能的多孔吸盘已经难以满足更广范围的工艺加工需求。
59.为解决上述问题，本发明提供一种激光退火方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：
60.通过所述真空吸附接口向所述盘面提供负压，使晶圆吸附于所述盘面；
61.对晶圆进行激光退火，同时通过冷却介质对所述多孔吸盘进行冷却。其中，所述多孔吸盘内部设置有冷却介质通道。
62.本技术的方案能够通过冷却介质对吸盘进行自主冷却，降低吸盘的温度，以提高吸盘和晶圆之间的热交换效率，使薄片晶圆因为激光退火造成的热量积累能够快速散除，从而降低薄片晶圆因为热积累而导致的碎片风险，提高工艺生产过程中的稳定性。
63.一些实施例中，通过冷却介质对所述多孔吸盘进行冷却，具体包括：
64.将冷却介质从所述冷却介质入口输入到所述冷却介质通道中，以使冷却介质在所述冷却介质通道中进行热交换；
65.持续输入冷却介质，使冷却介质流经整个所述冷却介质通道后，从所述冷却介质出口流出。
66.进一步地，所述通过冷却介质对所述多孔吸盘进行冷却，还包括：
67.将所述冷却介质出口流出的冷却介质输送到制冷机进行冷却处理；
68.将经过制冷机处理后的冷却介质再次输送到所述冷却介质入口，使冷却介质在制冷机与所述冷却介质通道之间进行循环。
69.更加具体地，经过制冷机处理后的冷却介质的温度为t0，温度t0应当低于环境温度。考虑到制冷机实际冷却温度的限制，优选的冷却介质温度t0为
‑
30℃～25℃。
70.在一些实施例中，对所述多孔吸盘进行冷却，还包括：
71.实时检测所述多孔吸盘的温度，获得当前温度t
d
；
72.如果当前温度t
d
高于设定值t1，加快冷却介质的流速；如果当前温度t
d
低于设定值t1，减小冷却介质的流速。
73.进一步地，所述加快/减小冷却介质的流速，具体包括：
74.根据当前温度t
d
与设定值t1的比值k确定冷却介质的流速，所述冷却介质的流速与k的值正相关。
75.比如，当k＝1时，即t
d
＝t1，说明多孔吸盘的温度正好等于设定的温度，此时的冷却介质的流速采用设定的基准流速u0即可。当k<1时，即t
d
<t1，说明多孔吸盘的温度低于了设定的温度，冷却效果超过了预期，因此需要降低流速，此时的流速u1需要在基准流速u0的基础上减小；k的值越小，u1也越小。同理，当k>1时，说明冷却效果未达到预期，因此需要提高流速，此时的流速u2需要在基准流速u0的基础上增大；k的值越大，u2也越大。
76.为实现上述的激光退火工艺，本发明的实施例还提供一种应用于上述激光退火方法的、具备自主冷却功能的多孔吸盘。如图6和图7所示，该具备自主冷却功能的多孔吸盘包括：吸盘本体；所述吸盘本体的第一侧面设置有多孔材料制成的盘面1；多孔材料类型要求采用各种导热性能好、耐温高的材料，比如碳化硅、金刚石、各类合金等。
77.所述吸盘本体的第一侧面与所述盘面之间设置有冷却介质通道；冷却介质通道只需比较均匀地排布在盘面之下，起到降低盘面温度的效果即可，其形状、排列没有任何限制。
78.所述吸盘本体的第二侧面设置有冷却介质入口2、冷却介质出口3、真空吸附接口4。
79.所述冷却介质入口2、所述冷却介质出口3分别与所述冷却介质通道相连通；一定温度t0的冷却介质从冷却介质入口2进入到吸盘本体内部的冷却介质通道，对整个吸盘本体进行冷却；冷却介质在和吸盘本体进行热交换后，由冷却介质出口3流出，经过制冷机冷却至t0后，再流入冷却介质入口2，形成冷却介质、制冷机、多孔吸盘的循环，达到多孔吸盘整体降温的效果。
80.所述真空吸附接口4与所述盘面1相连通；真空吸附接口4用于提供一定真空负压，由多孔材料的缝隙对晶圆进行吸附。
81.本技术的方案能够通过冷却介质对吸盘进行自主冷却，降低吸盘的温度，以提高吸盘和晶圆之间的热交换效率，使薄片晶圆因为激光退火造成的热量积累能够快速散除，从而降低薄片晶圆因为热积累而导致的碎片风险，提高工艺生产过程中的稳定性。
82.一些实施例中，所述盘面为多孔材料制成，其孔隙率为25％～65％；所述吸盘本体与所述盘面均为圆形，所述吸盘本体的圆心与所述盘面的圆心重合。所述真空吸附接口设置于所述吸盘本体的第二侧面的圆心位置。
83.一些实施例中，所述盘面的直径小于所述吸盘本体的直径；所述吸盘本体的第一侧面上未被所述盘面覆盖的环形区域形成固定部。所述固定部上设置有定位孔6，用于多孔吸盘进行紧固时的准确定位。
84.一些实施例中，所述固定部上设置有多个紧固结构5，用于和运动平台或承接结构之间的紧固。多个所述紧固结构沿着圆周均匀地间隔设置。
85.如图8所示，为吸盘和晶圆接触面的截面示意图，多孔材料粉末颗粒尺寸和压制烧结的孔隙率决定了多孔吸盘盘面和薄片晶圆吸附接触的情况。由于多孔压制烧结的随机性，其截面也呈现随机排布。考虑到多孔材料实际制造工艺，优选孔隙率为25％～65％；需要说明的是，孔隙率越大，盘面和薄片晶圆接触面积越少，热交换效果越低。
86.图8中，上方的表示粉末颗粒尺寸为25μm，孔隙率为50％时，多孔盘面和薄片晶圆接触截面图；下方的表示粉末颗粒尺寸为25μm，孔隙率为30％时，多孔盘面和薄片晶圆接触截面图；从图中可以看出孔隙率会影响盘面和薄片晶圆接触情况。容易理解的是，颗粒尺寸25μm仅为本实施例中的所采用的一种情况，并不是对本方案的进一步限制；颗粒尺寸的具体数值不影响本技术的技术方案。
87.下面结合具体的实施例，对本技术的方案进行拓展说明。
88.针对冷却多孔吸盘和薄片晶圆热交换效果，对薄片晶圆厚度50μm，激光热预算6.0j/cm2，激光光斑尺寸为100μm
×
4mm，激光频率5khz(脉冲周期t为200us)，两个脉冲(pulse)连续作用，孔隙率分别为50％、30％，吸盘冷却温度分别为25℃(298.15k)、0℃(273.15k)、
‑
20℃(253.15k)共三组试验参数进行实验，吸盘温度由控制器控制，具体为吸盘温度高于设定值t1时加大介质流速，低于设定值t1时减小介质流速。
89.实施例一
90.多孔吸盘冷却温度的设定值t1为25℃(298.15k)，孔隙率分别50％和30％，晶圆的背面(与冷却吸盘接触面)的温度随时间变化关系如图9所示。
91.孔隙率为50％时，第一个脉冲(pulse1)造成晶圆背面最高温为447.4k,第一个脉冲(pulse1)结束后晶圆背面温度为330.2k；第二个脉冲(pulse2)造成晶圆背面最高温为468.9k，第二个脉冲(pulse2)结束后晶圆背面温度为346k。两个脉冲对比，最高温的温差为21.5k，脉冲结束后的温差为15.8k。
92.孔隙率为30％时，第一个脉冲(pulse1)造成晶圆背面最高温为437.3k，第一个脉冲(pulse1)结束后晶圆背面温度为327.6k；第二个脉冲(pulse2)造成晶圆背面最高温为457.9k，第二个脉冲(pulse2)结束后晶圆背面温度为342.6k。两个脉冲对比，最高温的温差为20.6k，脉冲结束后的温差为15k。
93.实施例二
94.多孔吸盘冷却温度的设定值t1为0℃(273.15k)，孔隙率分别50％和30％，晶圆的背面(与冷却吸盘接触面)的温度随时间变化关系如图10所示。
95.孔隙率为50％时，第一个脉冲(pulse1)造成晶圆背面最高温为436k，第一个脉冲(pulse1)结束后晶圆背面温度为310.3k；第二个脉冲(pulse2)造成晶圆背面最高温为452.6k，第二个脉冲(pulse2)结束后晶圆背面温度为323.7k。两个脉冲对比，最高温的温差为16.6k，脉冲结束后的温差为13.4k。
96.孔隙率为30％时，第一个脉冲(pulse1)造成晶圆背面最高温为425k，第一个脉冲(pulse1)结束后晶圆背面温度为307.3k；第二个脉冲(pulse2)造成晶圆背面最高温为441.1k，第二个脉冲(pulse2)结束后晶圆背面温度为320.3k。两个脉冲对比，最高温的温差为16.1k，脉冲结束后的温差为13k。
97.实施例三
98.多孔吸盘冷却温度的设定值t1为
‑
20℃(253.15k)，孔隙率分别50％和30％，晶圆的背面(与冷却吸盘接触面)的温度随时间变化关系如图11所示。
99.孔隙率为50％时，第一个脉冲(pulse1)造成晶圆背面最高温为427.1k，第一个脉冲(pulse1)结束后晶圆背面温度为294.4k；第二个脉冲(pulse2)造成晶圆背面最高温为439.6k，第二个脉冲(pulse2)结束后晶圆背面温度为305.9k。两个脉冲对比，最高温的温差
为12.5k，脉冲结束后的温差为11.5k。
100.孔隙率为30％时，第一个脉冲(pulse1)造成晶圆背面最高温为415.4k，第一个脉冲(pulse1)结束后晶圆背面温度为291.2k；第二个脉冲(pulse2)造成晶圆背面最高温为427.7k，第二个脉冲(pulse2)结束后晶圆背面温度为302.5k。两个脉冲对比，最高温的温差为12.3k，脉冲结束后的温差为11.3k。
101.需要说明的是，光斑的面积有限，并且在移动，晶圆上的每一个点都会经历多个周期的照射。热积累体现在两个相邻周期的晶圆背面的温度差上，温差大说明热积累快，温差小说明热积累慢。因而可以通过晶圆背面的温度，反映出晶圆全片的热量积累程度。
102.根据以上实施例，在50％与30％孔隙率条件下，对不同吸盘冷却温度下的对比数据如图12和图13，可以得出以下结论：
103.(1)在吸盘孔隙率相同的情况下，吸盘冷却温度t1越低，第一个脉冲(pulse1)与第二个脉冲(pulse2)形成的最高温度差越小，结束温度差也越小；说明吸盘冷却温度t1越低，孔隙率对热积累的影响越小，越有助于消除脉冲之间的热量积累，使后一个脉冲造成的温度变化越接近与前一个脉冲造成的温度变化；优选吸盘冷却温度为
‑
30℃～25℃。
104.(2)在吸盘冷却温度t1相同的情况下，孔隙率越低，越有助于提高晶圆与吸盘的热交换效率，从而减少晶圆的热积累降低；优选孔隙率25％～65％的水冷吸盘。
105.(3)孔隙率对晶圆热积累的影响会随着设定值t1的降低而减小。
106.本发明的方案通过冷却介质对吸盘本体进行冷却，利用循环的冷却介质对多孔吸盘整体进行冷却降温，冷却的多孔吸盘提高了吸盘和薄片晶圆之间的热交换效率，使薄片晶圆因为激光退火造成的热量积累得以快速散除，最大程度减少了薄片晶圆内部的热积累，从而降低薄片晶圆因为热积累而导致的碎片风险，极大提高工艺生产过程中的稳定性。
107.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
108.需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
109.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
110.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。