专利名称：激光热处理装置中的分区加热片台和加热方法
技术领域：
本发明属于半导体制造技术范围，特别涉及一种激光热处理装置中的分区加热片 台和加热方法。
背景技术：
随着IC制造技术的进步，对于半导体晶圆片进行激光加工，由于其独特的优势， 逐渐成为了半导体加工制造领域中新颖性的技术选项。激光加工的主要优势在于，通过激 光束可以将高密度的纯能量馈送至加工材料的表面，提供材料表面加工和处理中，化学反 应，或者物理相变这样的物理-化学过程的激活能，在此过程中，不涉及带电粒子、等离子 基团、氧化/还原剂等物质性颗粒，因此不产生寄生的反应与过程，无额外掺杂、沾污等。激 光加工目前主要涉及激光退火。包括熔性或者非熔性的退火，激光辅助薄膜生长，激光作用 下非晶材料相变(用于制作多晶薄膜器件，太阳能电池)等。当前主流的激光热处理的技术方案为，通过光学系统的处理，将激光束进行扩束、 整形、勻束，并递送至待处理的材料晶圆片的表面处。经过光学系统处理后的光束，投送至 晶圆片表面时，束斑为线形的，或者为矩形形状，束斑相对于晶圆片表面做扫描移动，最终 光束的作用遍及和覆盖整个晶圆片。由于是对圆片进行激光热处理，涉及到强激光对于材 料表面的作用，在材料表面的局部会形成很高的升温，局部高温区相对于周围较低的温度 区可产生较大的温度梯度，已经观察到，这一温度梯度的存在，对圆片表面的形貌造成了破 坏，从而影响了激光热处理的效果。例如，在熔性的激光退火工艺过程中，如果不采取一定 的措施，圆片表面可形成高低起伏的微观的波纹线，破坏原始晶圆片的表面平整性。为了克服这一问题，保护激光热处理过程中的晶圆片表面形貌，一般会采用辅助 性加热的方案。已有的技术，包括一些专利的说明中，主要使用采用电阻性加热源的辅助性 加热方案，即将热源置于片台内部，通过片台金属件传热，从晶圆片的背面加热整个衬底。 在这样的传统辅助加热方案中，晶圆片是作为一个整体而均勻地加热的，晶圆片各处的预 加热温度均相同。局部高温区相对于周围较低的温度区可产生较大的温度梯度，对圆片表 面的形貌仍然有造成破坏的可能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种激光热处理装置中的分区加热 片台和加热方法。其特征在于，在激光热处理装置中将加热片台划分为不同的加热区域，不 同的单元区域之间由隔热材料隔离，在不同的加热区域下方，各自配置独立控制加热功率 的加热器，各区域独立控制加热温度；在激光光束热处理的高温区域和低温的衬底预加热 区域之间，引入额外的次高温缓冲区。所述独立控制加热功率的加热源，目的是使得对晶圆片执行激光扫描热处理时， 多数的、远离激光光束作用区域的加热源工作在低加热功率的保温状态下，只有激光光束 作用区附近的一个或多个加热单元，其加热源处于高功率或者全功率的工作状态，这样可
3以提供对晶圆片形貌的最好的保护。所述分区加热片台设计成选配件的方式，即设计成为一系列按不同尺寸划分单元 区域的片台，以实现根据应用场合的需要，安装或者更换系列中最为合适的分区加热片台。所述分区加热片台的加热方法，具体步骤如下1)将晶圆片载于加热片台上；2)所有加热单元均勻性地加热晶圆片，使其处于一个较低的基础温度；3)对将要进行激光光束作用区附近的一个或多个加热单元这一局部区域，其下方 的加热器预先加大功率，对晶圆片的这一局部区域升温；4)当晶圆片的这一局部区域的温度达到最高值时，片台刚好移动至激光光束下 方，进行激光辐照处理；其后这一局部区域下方的加热器功率下降，温度不再进一步升高， 其温度恢复为基础温度，而同时下一步准备接受激光辐照处理的晶圆片的下一局部区域， 其下方的加热器开始加大功率，对该下一局部区域的圆片预先升温；5)随着片台的连续移动，各加热器将总是稍领先于激光光束的作用，对圆片表面 的不同区域进行快闪式的加热，而激光光束对于圆片表面的处理，总是与圆片被处理的部 分升高至最高温相同步的。所述激光辐照处理，对于采用不同分区方案片台，不同的激光作用扫描速度，由计 算机编程控制使得快闪式的加热与激光扫速和加热区域面积相协调。本发明的有益效果是，在激光热处理过程中，由于激光的作用，材料表面的局部产 生高温，通过辅助性的分区加热的方式，在高温区域5和其他远离激光束的偏低一些的温 度区域6之间，引入了额外的次高温的缓冲区7，从而有效地降低了片上的温度分布梯度， 能够更为有效地减小热应力所带来的不良影响，提供更好的激光热处理的效果。在另一方 面，由于对远离激光束照射的区域6，只做偏低一些温度的辅助升温处理，整个激光热处理 过程中的热耗散总量能够显著地降低，不仅节约了能源，也同时降低了整机热隔离设计和 实现的难度。采用分区控制加热的方案后，可有效地降低片内的温度梯度，更加有效地减小 热应力带来的不良影响，提供更好的激光热处理的效果。除硅材料外，本发明也适用于GaAs 等材料的半导体晶圆片。所述激光热处理装置，主要的应用领域包含但不限于材料的激光 退火，激光辅助薄膜沉积，以及利用激光作用，使液相和固相再结晶。
图1为分区加热片台加热单元和隔离材料的配置情况示意图。图2为分区加热片台配置的剖面示意图。图1和图2中，1.是分区加热片台表面的不同分区；2.是分隔不同加热分区的片 台隔热材料；3.是为各加热分区独立配置的加热器；4.是退火激光光束；5.是处在退火激 光光束正下方的衬底片区域，此处为高温区；6.是远离退火激光光束的衬底片区域，这些 区域相对于正在被激光束处理的衬底片区域为低温区；7.是介于5、6两区之间的中温区 域。
具体实施例方式本发明提供一种用在半导体晶圆片激光热处理中的分区辅助加热片台和分区加热方法。片台分区及各区独立控制加热的结构如图1、图2所示。在图1中，首先将片台分成了不同的单元区域1，在不同的单元区域之间由隔热材 料2隔离，在片台的每个加热单元区域1的下方均放置一个独立控制加热功率的加热源3， 形成各单元区域独立控制加热的片台；在激光热处理所引入的高温区域5和低温的衬底预 加热区域6之间，引入了额外的次高温缓冲区7。各区域可独立控制加热，各区域加热器配 置的情况，如图2所示。对这些加热器进行加热控制的具体方式，举例说明如下1)将晶圆片载于加热片台上；2)所有加热单元均勻性地加热晶圆片，使其处于一个较低的基础温度 IOO0C -200 0C ；3)对将要进行激光光束作用区附近的一个或多个加热单元这一局部区域，其下方 的加热器预先加大功率，对晶圆片的这一局部区域升温；4)当晶圆片的这一局部区域的温度达到最高值时，也就是激光热处理所最适宜的 工艺温度200°C -500°C，片台刚好移动至激光光束4下方，进行激光辐照处理；其后这一局 部区域下方的加热器功率下降，温度不再进一步升高，其温度恢复为基础温度，而同时下一 步准备接受激光辐照处理的晶圆片的下一局部区域，其下方的加热器开始加大功率，对该 下一局部区域的圆片预先升温；5)随着片台的连续移动，各加热器将总是稍领先于激光光束的作用，对圆片表面 的不同区域进行快闪式的加热，而激光光束对于圆片表面的处理，总是与圆片被处理的部 分升高至最高温相同步的。所述激光辐照处理，对于采用不同分区方案片台，不同的激光作用扫描速度，由计 算机编程控制使得快闪式的加热与激光扫速和加热区域面积相协调。
权利要求
1.一种激光热处理装置中的分区加热片台，其特征在于，在激光热处理装置中将加热 片台划分为不同的加热区域，不同的单元区域之间由隔热材料隔离，在不同的加热区域下 方，各自配置独立控制加热功率的加热器，各区域独立控制加热温度；在激光光束热处理的 高温区域和低温的衬底预加热区域之间，引入了额外的次高温缓冲区。
2.根据权利要求1所述激光热处理装置中的分区加热片台，其特征在于，所述独立控 制加热功率的加热源使对晶圆片执行激光扫描热处理时，多数的、远离激光光束作用区域 的加热源工作在低加热功率的保温状态下，只有激光光束作用区附近的一个或多个加热单 元，其加热源处于高功率或者全功率的工作状态，提供对晶圆片形貌的最好的保护。
3.根据权利要求1所述激光热处理装置中的分区加热片台，其特征在于，所述分区加 热片台设计成选配件的方式，即设计成为一系列按不同尺寸划分单元区域的片台，以实现 根据应用场合的需要，安装或者更换系列中最为合适的分区加热片台。
4.一种使用权利要求1所述激光热处理装置中的分区加热片台的分区加热方法，其特 征在于，所述分区加热片台的加热方法，具体步骤如下1)将晶圆片载于加热片台上；2)所有加热单元均勻性地加热晶圆片，使其处于一个较低的基础温度；3)对将要进行激光光束作用区附近的一个或多个加热单元这一局部区域，其下方的加 热器预先加大功率，对晶圆片的这一局部区域升温；4)当晶圆片的这一局部区域的温度达到最高值时，片台刚好移动至激光光束下方，进 行激光辐照处理；其后这一局部区域下方的加热器功率下降，温度不再进一步升高，其温度 恢复为基础温度，而同时下一步准备接受激光辐照处理的晶圆片的下一局部区域，其下方 的加热器开始加大功率，对该下一局部区域的圆片预先升温；5)随着片台的连续移动，各加热器将总是稍领先于激光光束的作用，对圆片表面的不 同区域进行快闪式的加热，而激光光束对于圆片表面的处理，总是与圆片被处理的部分升 高至最高温相同步的。
5.根据权利要求4所述激光热处理装置中的分区加热片台的分区加热方法，其特征在 于，所述激光辐照处理，对于采用不同分区方案片台，不同的激光作用扫描速度，由计算机 编程控制使得快闪式的加热与激光扫速和加热区域面积相协调。
全文摘要
本发明公开了属于半导体制造设备和技术范围的一种用在半导体晶圆片激光热处理中的分区辅助加热片台和分区加热方法。在激光热处理装置中将加热片台划分为不同的加热区域，在不同的单元区域之间由隔热材料隔离，不同的加热区域下方，各自配置独立控制加热功率的加热器，形成各区域独立控制加热温度；在激光光束热处理的高温区域和低温的衬底预加热区域之间，引入了额外的次高温缓冲区。本发明有效地改善了片上的温度分布梯度，相对于全片均匀性的辅助加热，更为有效地减小热应力所带来的不良影响，提供更好的激光热处理的效果。在整个激光热处理过程中的热耗散总量显著地降低，不仅节约了能源，也同时降低了整机热隔离设计和实现的难度。
文档编号H01L21/02GK102064086SQ20101051499
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者严利人, 刘志弘, 刘朋, 周卫, 张伟, 窦维治 申请人:清华大学