專利名稱：激光薄膜多晶硅退火光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及脈沖激光系統(tǒng)，所述脈沖激光系統(tǒng)用于涉及用激光對表面和/或襯底進行處理的加工工藝，所述處理是在大的面積和高重復率、高功率和脈沖對脈沖劑量穩(wěn)定性的情況下進行的，并且更具體地，涉及細線光脈沖傳輸系統(tǒng)。
相關申請本申請要求2004年7月1日遞交的、名稱為“LASER THIN FILMPOLY-SILICON ANNEALING OPTICAL SYSTEM(激光薄膜多晶硅退火光學系統(tǒng))”、序列號為10/884,101的美國申請的優(yōu)先權，該美國申請是2004年2月18日遞交的、名稱為“VERY HIGH ENERGY，HIGH STABILITY GAS DISCHARGE LASER SURFACETREATMENT SYSTEM(非常高能量、高穩(wěn)定性氣體放電激光器表面處理系統(tǒng))”、序列號為10/781,251(律師案卷號為2003-0105-02)的美國申請的部分繼續(xù)申請，該美國申請是2003年11月26日遞交的、名稱為“VERY HIGH ENERGY，HIGH STABILITY GASDISCHARGE LASER SURFACE TREATMENT SYSTEM(非常高能量、高穩(wěn)定性氣體放電激光器表面處理系統(tǒng))”、序列號為10/722,992的美國申請的部分繼續(xù)申請，該美國申請是2003年7月30日遞交的、名稱為“CONTROL SYSTEM FOR TWO CHAMBER GASDISCHARGE LASER(用于兩腔氣體放電激光器的控制系統(tǒng))”、序列號為10/631,349的美國申請的部分繼續(xù)申請；而該美國申請是2002年8月30日遞交的、名稱為“LITHOGRAPHY LASER WITH BEAM DELIVERY AND BEAM POINTING CONTROL(具有光束傳輸和光束指向控制的光刻激光器)”、序列號為10/233,253的美國申請的部分繼續(xù)申請；該美國申請為2001年11月30日遞交的、名稱為“VERY NARROW BAND，TWO CHAMBER，HIGH REP RATE GAS DISCHARGE LASER SYSTEM(非常窄帶、兩腔、高重復率的氣體放電激光系統(tǒng))”、序列號為10/012,002的美國申請的部分繼續(xù)申請，該美國申請于2003年9月23日被授權為美國專利No.6,625,191，而該美國申請為2001年8月29日遞交的、名稱為“VERYNARROWBAND，TWO CHAMBER，HIGH REP RATEGAS DISCHARGE LASER SYSTEM(非常窄帶、兩腔、高重復率的氣體放電激光系統(tǒng))”、序列號為09/943,343的美國申請的部分繼續(xù)申請，該美國申請現在為美國專利No.6,567,450，而該美國申請為2001年7月30日遞交的、名稱為“HIGH REPETITION RATE GASDISCHARGE LASER WITH PRECISE PULSE TIMING CONTROL(具有精確脈沖定時控制的高重復率的氣體放電激光器)”、序列號為09/837,035的美國申請的部分繼續(xù)申請，該美國申請現在為美國專利6,618,421，所有這些公開在此通過引用被包括到本文中。
本申請與下列申請有關2003年6月25日遞交的、名稱為“METHOD ANDAPPARATUS FOR COOLING MAGNETIC CIRCUIT ELEMENTS(冷卻磁性電路元件的方法和裝置)”、序列號為10/607,407(律師案卷號為2003-0051-01)的申請，以及同樣在2003年6月25日遞交的、名稱為“METHOD AND APPARATUS FOR ELECTRICALLYINTERCONNECTING HIGH VOLTAGE MODULES POSITIONED IN RELATIVELYCLOSE PROXIMITY(用于在以相對非常接近的方式定位的高壓模塊之間電氣互連的方法和裝置)”、序列號為10/606,412(律師案卷號為2002-0042-01)申請，2001年12月21日遞交的、名稱為“TIMING CONTROL FOR TWO-CHAMBER GAS DISCHARGE LASERSYSTEM(兩腔氣體放電激光系統(tǒng)的定時控制)”、序列號為10/036,727的申請，以及2002年5月7日遞交的、名稱為“GAS DISCHARGE ULTRAVIOLET LASER WITH ENCLOSEDBEAM PATH WITH ADDED OXIDIZER(具有加了氧化劑的封閉光束通路的氣體放電紫外激光器)”、序列號為10/141,201的申請，以及2003年1月31日遞交的、名稱為“AUTOMATIC GAS CONTROL SYSTEM FOR A GAS DISCHARGE LASER(用于氣體放電激光器的自動氣體控制系統(tǒng))”、序列號為10/356,168的申請，以及2001年5月3日遞交的、名稱為“INJECTION SEEDED LASER WITH PRECISE TIMING CONTROL(具有精確定時控制的種子注入激光器)”、序列號為09/848,043(發(fā)明人為Ness，et al.，公開號為20020085606，于2002年7月4日公開)的申請，以及2002年5月7日遞交的、名稱為“GAS DISCHARGE ULTRAVIOLET LASER WITH ENCLOSED BEAM PATH WITHADDED OXIDIZER(具有加了氧化劑的封閉光束通路的氣體放電紫外激光器)”、序列號為10/141,201(發(fā)明人為Pan，et al.，公開號為US20020167986A1，于2002年11月14日公開)的申請，以及2001年12月21遞交的、名稱為“TIMING CONTROL FORTWO-CHAMBER GAS DISCHARGE LASER SYSTEM(兩腔氣體放電激光系統(tǒng)的定時控制)”、序列號為10/036,727(發(fā)明人為Ershov，et al.，公開號為US20020099269A1，于2003年5月29日公開)的申請，以及2001年11月30日遞交的、名稱為“VERY NARROW BAND，TWO CHAMBER，HIGH REP RATE GAS DISCHARGE LASER SYSTEM(非常窄帶、兩腔、高重復率的氣體放電激光系統(tǒng))”、序列號為10/012,002的申請，該申請現在為美國專利No.6,625,191，以及2001年4月18日遞交的、名稱為“HIGH REPETITION RATE GASDISCHARGE LASER WITH PRECISE PULSE TIMING CONTROL(具有精確脈沖定時控制的高重復率的氣體放電激光器)”、序列號為09/837,035的申請，該申請現在為美國專利No.6,619,421，以及名稱為“MAGNETIC MODULATOR VOLTAGE ANDTEMPERATURE TIMING COMPENSATION CIRCUIT(磁性調節(jié)器電壓和溫度定時補償電路)”的美國專利No.6,016,325，以及在2000年5月23日授權給Sandstrom et al.的、名稱為“LASER-ILLUMINATED STEPPER OR SCANNER WITH ENERGY SENSORFEEDBACK(具有能量傳感器反饋的激光照射步進式光刻機或掃描式光刻機)”的美國專利No.6,067,306，以及1999年11月30日遞交的、名稱為“LONG-PULSE PULSE POWERSYSTEM FOR GAS DISCHARGE LASER(用于氣體放電激光器的長米脈沖脈沖電源系統(tǒng))”、序列號為09/451,995的美國申請，2003年11月13日遞交的、名稱為“LONG DELAYAND HIGH TIS PULSE STRETCHER(長延遲和高TIS脈沖展寬器)”(律師案卷號為2003-0109-01)的美國申請，以及2001年5月11日遞交的、名稱為“FOUR KHZ GASDISCHARGE LASER(4KHz氣體放電激光器)”、序列號為09/854,097的美國申請，以及名稱為“RELIABLE，MODULAR PRODUCTION QUALITY NARROW-BAND HIGH REPRATE EXCIMER LASER(可靠的、模塊化、工業(yè)質量的窄帶高重復率準分子激光器)”的美國專利No.6,128,323，以及名稱為“EXCIMER LASER WITH PULSE MULTIPLEXER(具有脈沖復用器的準分子激光器)”的美國專利No.6,067,311，以及2003年12月17日遞交的、名稱為“GAS DISDCHARGE LASER LIGHT SOURCE BEAM DELIVERY UNIT(氣體放電激光光源光束傳輸單元)”、序列號為10/739,961(律師案卷號為2003-0082-01)的申請，以及2003年11月12日遞交的、名稱為“LASER LITHOGRAPHY LIGHT SOURCEWITH BEAM DELIVERY(具有光束傳輸的激光光刻光源)”、序列號為10/712,688的申請，以及2003年4月29日遞交的、名稱為“LITHOGRAPHY LASER WITH BEAMDELIVERY AND BEAM POINTING CONTROL(具有光束傳輸和光束指向控制的光刻激光器)”、序列號為10/425,361(律師案卷號為2003-0040-01)的申請，以及2002年5月7日遞交的、名稱為“LASEER LITHOGRAPHY LIGHT SOURC3 WITH BEAMDELIVERY(具有光束傳輸的激光光刻光源)”、序列號為10/141,216(律師案卷號為2002-0039-01)的申請，以及2002年9月25日遞交的、名稱為“LITHOGRAPHY LASERSYSTEM WITN IN-PLACE ALIGNMENT TOOL(具有原地對準工具的光刻激光系統(tǒng))”、序列號為10/255,806的申請，該申請現在為美國專利No.6,704,340，以及名稱為“LITHOGRAPHY LASER WITH BEAM DELIVERY AND BEAM POINTING(具有光束傳輸和光束指向的光刻激光器)”、序列號為10/233,253的申請，該申請為現在為美國專利No.6,704,339，所有這些公開在此通過引用被包括到本文中。
本申請還與2004年7月1日遞交的、名稱為LASER THIN FILM POLY-SILICONANNEALING SYSTEM(激光薄膜多晶硅退火系統(tǒng))、序列號為10/884,547(律師案卷號為2004-0062-01)的共同待審定的申請有關，該公開在此通過引用被包括到本文中。
背景技術：
制造多排(row)的柱面透鏡是已知的，例如通過用凹柱面桿(rod)來研磨和拋光，然后將柵(raster)旋轉到90°以生成交叉的柱面透鏡，它們可以和真實的軸向對稱透鏡不同，不同在于它們大大低于這樣的極弱透鏡(例如具有1mm方形孔徑和80mm的焦距)的衍射極限。
(http://www.eso.org/gen-fac/pubs/messenger/achive/no.114-dec03/mess-wilson.pdf)已知JSW公司提供用于完成非晶硅(amorphous silicon)薄膜的晶化(crystallization)的設備(apparatus)，目的在于將非晶硅薄膜再晶化為多晶硅(“Poly-si”或“poly”)，從而在襯底上制造例如薄膜晶體管，以用于例如平板顯示器。這被稱為準分子激光退火(ELA)，這是由于利用了準分子激光器(例如XeCl激光器)作為光能源來進行ELA退火，采用了所述非晶硅的綜合的(resultant)熔融和再結晶形成薄膜poly層，其中，例如形成薄膜晶體管柵極電路。
JSW已經證明了以例如370×470mm的表面面積和730×920mm的表面面積的襯底(substrate)來工作的能力，其中前一種面積是以具有365×0.4mm的光束尺寸、準分子激光器重復率300、重疊90％、掃描步距(pitch)0.02、掃描長度470、掃描次數等于1的工具來操作的，每片(sheet)進行了總共23500次晶化照射(shot)，其中每片的晶化時間為78秒，利用了21390次浪費的(wasting)照射，就每小時24.6屏(screen)的吞吐量(throughput)來講，導致總共每屏44890次照射和每屏150秒的動作時間，其中在后一種情形中，類似的數字導致2次掃描來覆蓋所述片，在第二種情形中具有更寬(920mm)的片、每片157秒的晶化時間、每片16698次浪費的照射、229秒的動作時間以及每小時15.70片的吞吐量。Lambda Phisik提供具有大致類似能力的機器。
Kahlert H.等人的“High-resolution optics for thin Si-film crystallization using excimerlaserspresent status and future development(用于采用準分子激光器的薄硅膜晶化的高分辨率光學裝置現狀和未來的發(fā)展)”，Proc.of SPIE-IS&T，Electronic Imaging，SPIE Vol.5004(2003)，pp.20-27(簡稱“Kahlert”)討論了在工件處形成用于超級-橫向-生長(“SLG”)晶化的、幾百μm寬乘370mm長的光束。另外，討論了順續(xù)橫向凝固，如在授權給Im的許多專利中也討論的那樣，所述的許多專利包括2001年11月27日授權的、名稱為“CRYSTALLIZATION PROCESSING OF SEMICONDUCTOR FILM REGIONS ON ASUBSTRATE，AND DEVICES MADE THEREWITH(在襯底上半導體膜區(qū)域的晶化處理以及由此制造的器件)”的美國專利No.6,322,625，該專利基于1998年11月27日遞交的、序列號為09/200,533的美國申請；以及2002年4月9日授權的、名稱為“METHOD ANDSYSTEM FOR PROVIDING A CONTINUOUS MOTION SEQUENTIAL LATERALSOLIDIFICATION(提供連續(xù)運動的順續(xù)橫向凝固的方法和系統(tǒng))”的美國專利No.6,368,945，該專利基于2000年3月16日遞交的、序列號為09/526,585的美國申請；以及2003年4月29日授權給Im等人的、名稱為“METHODS FOR PRODUCING UNIFORMLARGE-GRAINED AND GRAIN BOUNDARY LOCATION MANIPULATEDPOLYCRYSTALLINE THIN FILM SEMICONDUCTORS USING SEQUENTIAL LATERALSOLIDFICATION(采用順續(xù)橫向凝固生成均勻大晶?；约熬Я＿吔缥恢媒涍^處理的多晶薄膜半導體的方法)”的美國專利No.6,555,449，該專利基于1999年9月3日遞交的、序列號為09/390,535的美國申請；以及2003年5月13日授權的、名稱為“SYSTEM FORPROVIDING A CONTINUOUS MOTION SEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION(提供連續(xù)運動的順續(xù)橫向凝固的系統(tǒng))”的美國專利No.6,563,077，該專利基于2001年3月30日遞交的、序列號為09/823,547的美國申請；以及2003年6月3日授權給Im等人的、名稱為“SYSTEMS AND METHODS USING SEQUENTIAL LATERALSOLIDIFICATION FOR PRODUCING SINGLE OR POLYCRYSTALLINE SILICON THINFILMS AT LOW TEMPERATURES(采用順續(xù)橫向凝固以在低溫下生成單或多晶硅薄膜的系統(tǒng)和方法)”的美國專利No.6,573,53，該專利基于1999年9月3日遞交的、序列號為09/390,537的美國申請；以及2003年6月24日授權的、名稱為“SPECIALIZEDSUBSTRATES FOR USE IN SEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION PROCESSING(用于順續(xù)橫向凝固處理的特殊襯底)”的美國專利No.6,582,827，該專利基于2000年11月27日遞交的、序列號為09/722,778的美國申請，并且也在美國公開的專利申請中被討論，所述公開的專利申請包括2003年5月22日公開的、發(fā)明人為Im等人、名稱為“METHODS FOR PRODUCING UNIFORM LARGE-GRAINED AND GRAIN BOUNDARYLOCATION MANIPULATED POLYCRYSTALLINE THIN FILM SEMICONDUCTORSUSING SEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION(采用順續(xù)橫向凝固生成均勻大晶粒化以及晶粒邊界位置經過處理的多晶薄膜半導體的方法)”的美國申請No.2003/0096489A1，該公開的申請基于2002年11月13日遞交的、序列號為10/294,001的美國申請；以及2003年6月23日公開的、發(fā)明人為Im等人、名稱為“METHOD FORPRODUCING UNIFORM LARGE-GRAINED AND GRAIN BOUNDARY LOCATIONMANIPULATED POLYCRYSTALLINE THIN FILM SEMICONDUCTORS USINGSEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION(采用順續(xù)橫向凝固生成均勻大晶?；约熬Я＿吔缥恢媒涍^處理的多晶薄膜半導體的方法)”的美國申請2003/0119286A1，該公開的申請基于2002年12月3日遞交的、序列號為10/308,958的美國申請。
其他討論這樣的薄膜晶化的多個方面的專利包括1995年7月11日授權給Chae的、名稱為“METHOD OF MAKING A THIN FILM TRANSISTOR BY OVERLAPPINGANNEALING USING LASERS(通過采用激光的重疊退火來制造薄膜半導體的方法)”的美國專利No.5,432,122，該專利基于1993年11月3日遞交的、序列號為147635的美國申請；以及2001年1月23日授權給Jung的、名稱為“METHOD OF FABRICATING THINFILM TRANSISTORS FOR A LIQUID CRYSTAL DISPLAY(制造用于液晶顯示器的薄膜半導體的方法)”的美國專利No.6,177,301，該專利基于1999年5月13日遞交的、序列號為09/311,702的美國申請；以及2001年11月13日授權給Jung的、名稱為“LASERANNEALING METHOD(激光退火方法)”的美國專利No.6,316,338，該專利基于2000年6月28日遞交的、序列號為09/605,409的美國申請；以及2001年4月10日授權給Yamazazi等人的、名稱為“APPARATUS AND METHOD FOR LASER RADIATION(激光輻射的裝置和方法)”的美國專利No.6,215,595，該專利基于2000年5月30日遞交的、序列號為09/583,450的美國申請；以及2001年10月9日授權給Zhang等人的、名稱為“LASER PROCESSING METHOD(激光處理方法)”的美國專利No.6,300,176，該專利基于1995年7月19日遞交的、序列號為504087的美國申請；以及2002年5月28日授權給Noguchi等人的、名稱為“METHOD OF PRODUCING LIQUID CRYSTAL DISPLAYPANEL(加工液晶顯示板的方法)”的美國專利No.6,396,560，該專利基于2000年9月21日遞交的、序列號為09/667,758的美國申請；以及2004年4月1日公開的、發(fā)明人為Takeda等人、名稱為“SEMICONDUCTOR THIN FILM AND PROCESS FOR PRODUCTIONTHEREOF(半導體薄膜及其加工工藝)”的美國專利申請，該公開的申請基于2003年6月17日遞交的、序列號為10/462,792的美國申請。
Kalhert注意到，在現有技術中，現有技術在工件處被限制在400μm的激光脈沖尺寸、線寬。


圖1所示為在Lahert中討論的用于Lambda Physik ELA機的光學布局。參見圖1，可以看到組件(assembly)20。組件20包括激光輸出光束22，例如由Lambda Physik制造的XeCl LS 1000準分子激光器的輸出。激光光束22通過衰減器(attenuator)24，該衰減器包括一對衰減板26。然后，激光光束22通過長軸擴束光學裝置30在長軸方向上被擴束，所述長軸擴束光學裝置30包括第一望遠鏡透鏡32和第二望遠鏡透鏡34，兩者一起在形成在光束22的長軸方向上的擴束望遠鏡部件(telescopic element)。然后，所述光束通過長軸均化器(homogenizer)40，所述均化器40由第一排柱面鏡42和第二排平行的柱面鏡44組成，所述第一排柱面鏡42中的每個具有在長軸方向上兩者之間被選擇的距離上的焦點，后面是成像透鏡46，用來成像光束的所述長軸。然后，所述光束通過短軸均化器50，所述短軸均化器50包括第一排柱面鏡52和第二排柱面鏡54，其中所述第一排柱面鏡52中的每個透鏡具有兩者之間被選擇的距離上的焦點，后面是成像透鏡56，用來在狹縫62處成像在所述短軸方向上的光束，所述狹縫形成在場闌(field stop)60中，所述場闌60還包括物鏡64。然后，加寬后的光束80被具有90％反射率的鏡90旋轉90°，然后通過光束短軸放大鏡100，所述短軸放大鏡100由具有第一透鏡102和第二透鏡104的5X放大倍率的柱面鏡對(doublet)組成，該柱面鏡對形成在襯底130上或在襯底130周圍的最終ELA光束120?，F有技術組件20還包括光束質量監(jiān)控系統(tǒng)110，所述系統(tǒng)110包括第一CCD攝像機112和第二CCD攝像機112。
圖2僅示出圖1的組件20的短軸光學組件的元件(component)并且示出了雙激光光束22，22’在現有技術的Lambda Physik或JSW ELA機上的應用，所述雙激光光束22，22’來自兩臺單腔Lambda Physik單振蕩器準分子激光器，例如XeCl或KrF準分子激光器。另外還示出了這樣的事實，即在場闌60處所述光束的短軸成像重疊，從而在組合重疊光束分布中只有部分能量通過狹縫(slit)62。
圖3示出用于放大在短軸方向上的所述光束和用于擴展在長軸方向上的所述光束兩者的可能透鏡組合30，所述透鏡組合30可以包括例如柱面凸透鏡32，接著是柱面凹透鏡34，導致線狀光束120在掃描方向的軸線方向上變薄并且成為與所述掃描方向正交的細長形。
圖4根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示出透鏡組件的實施例，說明在長軸光束均化器40和短軸光束均化器50中實施的光束均化作用，所述透鏡組件包括襯底140，該襯底可以由能夠在所要求的強度水平下在光學上承受DUV光的適當材料(例如MgF2或CaF2)來制成，所述材料的厚度例如約1.2mm，以及在兩側中的每側上的柱面折射的、平-凸柱面微透鏡陣列，其中，例如，陣列中的透鏡的間距(lens pitch)例如為約300μm，導致例如約1°的發(fā)散角以及遠場平頂(flat-top)的強度分布。這樣的透鏡組件可以例如從SussMicrooptics獲得，該組件在出售時被標明為CC-Q-300 1°，5mm×10mm，高功率光束均化器。
A.Voutsas等人的“Effect of process parameters on the structural characteristics of laterallygrown，laser-annealed polycrystalline silicon films(工藝參數對橫向生長、激光退火的多晶硅膜的結構特性的影響)”，Jour.of Appld.Phys.，Vol.94，No.12(2003年12月15日)(簡稱″Voutsas″)注意到光束分布參數的重要性，尤其就橫向晶體生長來講在光束的短軸方向上，該文的公開在此通過引用被包括進來。如Votsas所注意到的，這主要是由在光束成形圖形的臨界尺寸(即大致上為大縱橫比矩形情況下的寬度)和投影光學裝置的分辨能力(resolving power)(即大致上為投影透鏡的數值孔徑(numerical aperture))之間的關系來確定的。該關系確定了光束分布的邊緣“銳度(sharpness)”，即，對強度從例如最大強度的10％上升到90％的空間要求。有效率的SLS處理可以要求陡的光束邊緣分布，以最小化激光能量的低效利用，如在Voutsas中更詳細地解釋的那樣。實際上，由于在數值孔徑和焦深(depth of focus)要求之間的折衷，該分布可以由投影光學裝置的衍射極限來支配。圖4示出在所述光束的短軸方向上和在選擇的部分上，在襯底上的典型現有技術空間強度分布，例如，通過前面討論的光學裝置來提供例如8-9mm寬的射束(beamlet)，所述射束是從具有數值孔徑約50.05的5∶1投影透鏡生成的。對應于SLS工藝窗口的強度范圍也在Voutsas中被示出。對于該范圍之外的強度值，薄膜的部分熔化可以和在強度太低的地方細粒多晶硅材料的后續(xù)形成一同發(fā)生。因此，在光束(de)的每個邊緣，光束分布的銳度可以定義此區(qū)域(regime)的范圍。依賴于射束的寬度，如果在輻照條件下LGL小于光束寬度的大約一半，則隨機成核(nucleation)可以發(fā)生在光束的中心。Voutsas還注意到如果dL是橫向生長長度，并且dc是中心核化區(qū)域的寬度，那么w25de12dL1dc其中w是光束寬度。Voutsas還注意到，為了優(yōu)化射束利用，要求de→0和dc→0。并且根據Voutsas，核化的“中心”區(qū)域可以(例如通過實質性地減少射束的寬度)被有效地消除，而光束邊緣區(qū)域可以被限制但決不會實際上被消除。Voutsas還指出除了投影光學裝置的限制，光束分布畸變(distoration)的另一個來源是聚焦。對于投影光學裝置的給定數值孔徑，可以確定焦深(depth-focus)，例如定義投影透鏡和被輻照樣品表面間距離的變化度，所述變化度導致透鏡成像能力(即透鏡的分辨能力)實質上可忽略的變化。例如，對于給定投影透鏡，如果樣品平面的位置超出焦深的限制，可能發(fā)生已成像光束分布的畸變，例如將自身顯示為“模糊的”；即在欠聚焦和過聚焦的情況下，不能完全分辨已成像光束。根據Voutsas，在這種條件下，最大光束強度減小并且邊緣變得更散布，例如具有不那么陡的斜度或不那么陡峭的斜度。換言之，de增加，并且射束中心的核化的可能性也增加。Votsas還注意到LGL變化為以mm為單位從最佳焦平面離焦(defocusing)的程度的函數，例如由于光束分布中增加的邊緣漫射(這可以導致橫向生長的光束低效部分增加)，所以橫向生長長度由于離焦而縮減。還注意到邊緣長度變化為離焦的函數，其中在增加的離焦的情況下，橫向生長長度的減少可以伴隨著邊緣長度的隨之增加。Votasas指出增加激光能流(fluence)可以或多或少地補償LGL上的離焦損失，但是，團聚(agglomeration)會對這種補償的程度造成限制，指出為了確定最優(yōu)襯底步距以維持大面積上的增長連續(xù)性，可能必須考慮例如由于離焦而造成的光束分布的畸變。
已知用于使用ELA的AMLCD制造的玻璃襯底包括例如Corning的MIE 101(2002年8月)中所描述的Corning1737 AMLCD玻璃襯底、Corning的PEI 101(2002年12月)中所描述的1737顯示器級玻璃襯底、Corning的PEI 201(2002年12月)中所描述的Eagle2000TM顯示器級玻璃襯底，以及“Glass substrates for AMLCD ApplicationsPropertiesand Implications(用于AMLCD應用的玻璃襯底性能和本質)”(TIP 101，2002年2月)和“Support Designs for Reducing the Sag of Horizontally Supported Sheets(用于減少被水平支撐的片凹陷的支撐設計)”(TIP 303，2003年2月)，它們的公開內容通過引用被包括在本文中。
圖4根據現有技術中K.Lee.的“A Study on Laser Annealed Polycrystalline Silicon ThinFilm Transistors(TFTs)with SiNx Gate Insulator(對于具有SiNx柵極絕緣體的激光退火的多晶硅薄膜晶體管的研究)”第五章“Electrical and Structural Properties of ELA Poly-SiFilms(ELA多晶硅膜的電氣和結構屬性)”(http://tftlcd.khu.ac.kr/reserch/poly-Si/chapter5.html)，示意性示出用于準備準分子激光退火的(“ELA”)多晶硅膜的工藝流程。如圖4中所示，可以使用例如JSW公司所提供的退火設備中的具有矩形光束形狀的XeCl準分子激光系統(tǒng)(未示出)。通過APCVD在清潔的玻璃襯底132上沉積SiO2緩沖層134。通過PECVD沉積70nm厚的非晶硅氫氧化物(“a-Si:H”)膜136，作為ELA的起始材料。a-Si:H膜由以150mJ/cm2掃描、具有94％重疊的準分子激光來脫氫(dehydrogenated)，以形成非晶硅層138。最后，脫氫的a-Si層138由ELA以94％的重疊在300℃掃描而被晶化，以形成多晶硅層138。激光能量密度可以在240-330mJ/cm2之間變動，以找到最佳的激光強度，從而獲得高質量的多晶硅膜138。
JSW ELA系統(tǒng)具有相對簡單的用于晶化和活化(activation)的光學裝置，但是JSWELA系統(tǒng)產生小晶?；奈⒔Y構，并且具有僅僅大約100的TFT遷移率性能和僅僅每小時25片的吞吐量，相對高的每片維護成本以及雖然對焦點不敏感但對能量敏感的工藝余量。JWS 2 Shot(兩次照射)SLS系統(tǒng)具有相對復雜的用于晶化的光學裝置，產生2-3μm的晶粒以及在大約150和200之間的遷移率，以及每小時35片的吞吐量。它具有比之JWSELA便宜大約32％的每片維護成本，并且具有對能量不敏感但對焦點敏感的工藝余量。
圖5示出具有大約9μm光束線寬的現有技術光束分布。
還已知對于這樣的應用，利用例如惰性氣體鹵化物激光器的準分子激光器，其中由惰性氣體原子和鹵化物原子(Cl，I，F等)構成激光活性材料。此外，稀有氣體鹵化物激光器，例如XeCl、XeF、KrF和ArF，已經被驗證，并且，如J.J.Ewing等人在Phys.Rev.A12，129(1975)和M.Hoffman等人在Appl.Phys.Lett.9，538(1976)中所指出的，已經在Si膜的重晶化上得到了有效利用，包括如在參考文獻中所列出的包括XeF的那些激光器中的普通類型。參考文獻還注意到為了晶化a-Si:H，諸如ArF(193nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)的很多準分子激光器已經被使用。除了其他以外，XeCl準分子激光器具有良好的氣體穩(wěn)定性、在接近波數(wavenumber)為308nm的情況下a-Si:H膜的高吸收系數的優(yōu)點。因此，由于穩(wěn)定的操作和在308nm處a-Si:H(～106cm-1)的高吸收系數，很多公司采用XeCl激光器進行生產。K.Lee，“A Study on Laser AnnealedPolycrystalline Silicon Thin Film Transistors(TFTs)with SiNx Gate Insulator(具有SiNx柵極絕緣體的激光退火多晶硅薄膜晶體管的研究)”，第四章“Experimental Details(實驗細節(jié))”，http://tftlcd.kyunghee.ac.kr/research/poly-Si/chapter4.htmlC.Kim等人的“Excimer-Laser Crystallized Poly-Si TFT′s with Transparent Gate(具有透明柵極的準分子激光結晶的多晶硅TFT)”(IEEE Transaction on Electron Devices(IEEE電子器件學報)，Vol.43，No.4(1996年4月)，p.576-579)(簡稱“Kim”)討論了XeF激光光輻射被使用在玻璃復合物(composite)上的非晶硅薄膜的玻璃襯底側上，以在與所述玻璃襯底非晶硅界面相鄰的非晶硅中形成多晶硅透明柵極電極。還討論了使用該技術來形成這樣的晶體管用于驅動器單片集成電路主動矩陣液晶顯示器(“AM-LCD”)。Kim指出非晶硅的頂側退火由準分子激光器完成，所述準分子激光器包括XeCl及其他，引用K.Sera等人的″High-performance TFT′s fabricated by XeCl excimer laser annealing ofhydrogenated amorphous-silicon film(由氫化非晶硅膜的XeCl準激光退火制造的高性能TFT)″(IEEE Transaction on Electron Devices(IEEE電子器件學報)，Vol.36，Np.12，(1989)，pp.2868-72)；Y.Morita等人的“UV pulsed laser annealing of Si-implanted siliconfilm and low-temperature super thin-film transistors(硅注入的硅膜的UV脈沖激光退火以及低溫超薄膜晶體管)”(J.Appl.Phys.，Vol.28，No.2(1989)pp.L309-L311)；K.Shimizu等人的″On-Chip bottom gate polysilicon and amorphous silicon thin-film transistors usingexcimer laser annealed silicon nitride gate(使用準分子激光退火的氮化硅柵極的芯片上底柵極多晶硅和非晶硅薄膜晶體管)″(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.29，No.10(1990)，pp.L 1775-L 1777)；K.Shimizu等人的″high-performance poly-si thin-film transistors withexcimer laser annealed silicon nitride gate(具有準分子退火的氮化硅柵極的高性能多晶硅薄膜晶體管)″(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.32，No.1B(1993)，pp.452-57)；M.Furuta等人的″Bottom-gate poly-si thin film transistors using XeCl excimer laser and ion doping techniques(使用XeCl準分子激光退火和離子摻雜技術的底柵極多晶硅薄膜晶體管)″(IEEETransaction on Electron Devices(IEEE電子器件學報)，Vol.40，No.14(1993)pp.1964-69)；以及Y.Sun等人的″Excimer laser annealing process for polisilicon TFT AMLCDapplication(用于多晶硅TFT AMLCD應用的準分子激光退火工藝)″(Record of 1994 Int.Disp.Res.Conf.(1994))，它們每一篇的公開內容作為引用被包括在本文中。然而，Kim公開并建議僅使用XeF穿過襯底輻射來形成透明底柵極。
已知使用具有中間像的、由成排的透鏡形成的成像通道，其中每條通道成像有限的角度范圍，其中部分像的迭加由成像平面中的空間迭加(superpositioning)來完成，這要求正成像并且僅與下一相鄰部分的迭加，以避免離軸像差(off-axis aberration)。mstnews 2/03，http://www.suss-microoptics.com/downloads/Publication/Miniaturization_of_Imaging_Systems.pdf已知使用蠅眼透鏡來進行準分子激光光束的強度重新分布，如Y.Ozaki等人的“Cyllindrical fly′s eye lens for intensity redistribution of an excimer laser beam(用于準分子激光光束的強度重新分布的柱面蠅眼透鏡)”(Applied Optics，Vol.28，Issue 1(1989年1月)p.106)和B.Crowther等人的″A fly′s eye condenser system for uniform illumination(用于均勻照射的蠅眼聚光器系統(tǒng))″(Proc.of SPIE，International Optical Design Conference 2002，Vol.(2002)，pp.4832-35)中所討論的。

發(fā)明內容
公開了一種高能量、高重復率的工件表面加熱方法和設備，所述工件表面加熱方法和設備可以包括脈沖XeF激光器，所述脈沖XeF激光器工作在4000Hz或高于4000Hz并在大約351nm的中心波長處產生激光輸出光脈沖光束；光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)將所述激光輸出光脈沖光束窄化為在所述激光輸出光脈沖光束的短軸方向上小于20μm，并將所述激光輸出光脈沖光束擴展，以在所述光束的長軸方向上形成覆蓋所述長軸范圍的工件；所述光學系統(tǒng)包括介于所述激光器和所述工件之間的場闌；所述工件包括要被加熱的層；其中所述光學系統(tǒng)以足夠維持如下的強度分布的放大率將所述激光輸出光脈沖光束聚焦在場闌處，即所述強度分布具有足夠陡的側面，以允許場闌在工件上維持足夠陡的光束分布而不會在太高的強度水平2上阻擋光束分布。所述設備還包括當所述激光輸出光脈沖光束傳輸到所述工件時所述激光輸出光脈沖光束中的高平均功率以及短軸光學組件中的線弓形校正機構。所述線弓形校正機構包括多個弱交叉柱面。所述系統(tǒng)可以包括折反射投影系統(tǒng)。由于激光衍射和發(fā)散，所述線寬小于幾何限制。所述系統(tǒng)可以投影標稱XeF光譜的相鄰峰，以通過每個各自的相鄰峰的分離的中心波長來提高總體焦深，所述相鄰峰在所述工件上具有不同的焦平面。所述系統(tǒng)可以包括在場闌光學組件內和工件投影光學組件內的線弓形校正機構，所述場闌光學組件內的線弓形校正機構在所述場闌平面上校正線弓形，所述工件投影光學組件內的線弓形校正機構在所述工件平面上校正線弓形。
附圖簡要說明圖1根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示出表示光學系統(tǒng)多個方面的光學布局；圖2示出圖1的光學系統(tǒng)的另一個視圖；圖3示出用于既在短軸方向放大光束又在長軸方向擴展光束的可能透鏡組合30；圖4示出透鏡組件的實施例，說明在長軸光束均化器上進行的光束均化作用；圖5示出光束強度分布；圖6示意性示出說明性的脈沖激光輸出光束生成系統(tǒng)；圖7根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示意性地、部分地示出系統(tǒng)；圖8示意性示出本發(fā)明的實施方案的多個方面；圖9示意性示出本發(fā)明的實施方案的多個方面；圖10a和圖10b示出光束強度分布；圖11示出光束強度分布；圖12A和12B示出光束強度分布；圖13根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示出光學結構。
具體實施例方式
申請人提出了具有用于晶化和活化的簡單光學設備的定向SLS系統(tǒng)，所述定向SLS系統(tǒng)產生或本質上可以產生延長工件長度的晶粒(grain)，造成200-400的遷移率(mobility)和每小時35片(sheet)的吞吐量。對申請人所提出的系統(tǒng)來講，每件維護費比JWS ELA系統(tǒng)便宜大約37％，并且與JWS系統(tǒng)相比具有對能量或焦點不敏感的工藝余量(margin)。
對于片尺寸為370×470來說，申請人提出利用光束的一部分的能力，所述能力為可以用365×0.02mm或更小的細長薄光束在一次掃描中覆蓋包括襯底的工件片，并且用730×0.02mm的細長薄光束以至少4000Hz的激光重復率、例如90％的重疊、例如0.002mm的掃描步距，470mm的掃描長度單次掃描覆蓋730×920的工件片，在前一種情形中能夠進行每片(sheet)23500次晶化照射(shot)，晶化時間為59秒，對于每片43秒的浪費時間來說有173,200次浪費的照射，以及就每小時35.38片的吞吐量來講總共408,200次照射和102秒的動作時間，并且在后一種情形中，利用類似的數據(除例如80％的重疊之外)使用單次掃描覆蓋片的整個730mm寬度，導致460,000次晶化照射、115秒的晶化時間、對總共469,959次照射來說有9,959次浪費的照射、以及每小時22.74片的吞吐量。在每種情況下，即使在4000Hz這樣相對低的速率下，根據本發(fā)明的實施方案的多個方面可達到的吞吐量也比現有技術有大約45％的提高。
現在參照圖6，根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示意性示出說明性的脈沖激光輸出光束生成系統(tǒng)160。系統(tǒng)160可以包括振蕩器激光系統(tǒng)162和放大器激光系統(tǒng)164。脈沖激光輸出光束生成系統(tǒng)160可以被配置為主振蕩器、功率放大器系統(tǒng)，其中如本領域眾所周知的，用例如線窄化模塊(line narrowing module)或線窄化包(line narrowing package)來對振蕩器系統(tǒng)的輸出脈沖180進行線窄化，或脈沖激光輸出光束產生系統(tǒng)160可以是其中不使用線窄化的功率振蕩器。對于本應用的目的來說，兩種形式的振蕩器激光器都能夠被使用，并且無論是主振蕩器(MO)還是功率振蕩器(PO)都被稱為主振蕩器(MO)。如圖6中所示，MO可以包括非穩(wěn)定諧振器(resonator)，所述諧振器包括凹反射鏡170和凸反射鏡172，反射鏡170和172被示例性地示為調準為離軸振蕩形式，從而通過振蕩器激光系統(tǒng)162的氣體放電腔中的陰極174和陽極176間的電氣放電產生輸出光束180。
輸出光束180大約為50mJ，并且由于振蕩器腔162的非穩(wěn)定諧振器配置，它至少在一個軸上(例如水平軸上)具有相對低的發(fā)散度。該光束180被傳遞光學系統(tǒng)182中的近的全反射鏡反射到放大器激光系統(tǒng)164的氣體放電腔中，所述放大器激光系統(tǒng)164可以包括如MOPA激光系統(tǒng)領域內眾所周知的多次通過(multi-pass)功率振蕩器，例如本申請人的受讓人以XLA型號系列出售的那些功率振蕩器。通過放大器激光系統(tǒng)164的氣體放電腔中的陰極174和陽極176之間的放電，在放大器激光系統(tǒng)164中光束180的強度被放大，以產生脈沖激光輸出光束190，所述放大器激光系統(tǒng)164被定時到光束180的到達時刻。
應該理解，激光系統(tǒng)164可以是具有例如一次離軸通過的多次通過放大器系統(tǒng)。此外，放大器激光系統(tǒng)164也可以是振蕩器系統(tǒng)，例如也被配置為非穩(wěn)定諧振器腔(cavity)或穩(wěn)定諧振器腔的振蕩器系統(tǒng)，從而像功率振蕩器一樣在諧振器激光腔中放大輸入光束180。
現在參照圖7，根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示意性地、部分地示出系統(tǒng)。工件130可以包括a-Si 140薄膜層，所述薄膜層可以用細長的薄光束掃描，所述薄光束例如在與掃描方向正交的方向上大約為365mm-730mm長(即足夠長以在該尺度上覆蓋期望覆蓋的工件130長度)，并且具有例如不想要被處理的某些邊界，如圖7的實施例所示。掃描方向上的掃描可以以如下方式進行根據光束120的尺寸，脈沖輸出激光光束的每個脈沖以一步距(pitch)覆蓋一晶化區(qū)域(例如365mm×5-20μm)，其中所述步距用來保證連續(xù)的晶化區(qū)域的重疊部分在每個脈沖上被所述光束輻射到，除了如下面所討論的情況外，在所述例外的情況中脈沖可以被跳過，以例如在某些期望長度上故意地停止結晶，接著新的結晶生長可以在后續(xù)的脈沖上開始。
例如，對于在掃描方向上每個脈沖具有5μm的線寬，可以選擇3μm的步距，則在脈沖和脈沖間所述3μm的步距將給出大約占脈沖線寬40％的重疊。
針對在工件上SLS所需要的大概1J/cm2的能量密度以及730mm×0.01mm的光束，這將需要73nJ，并假設從激光器到工作臺的傳輸率(transmission rate)為705，則至少需要100mJ來自激光器。4KHz的光束重復率和例如2μm/脈沖的掃描步距需要2μm*4KHz＝8mm/s的工作臺掃描速度。
根據本發(fā)明的實施方案的多個方面，空間光束強度分布(intensity profile)應該被維持為盡可能的尖銳，即分布側面(side wall)斜度為對于10μm的脈沖寬度(FWHM)，側面從大約10％的強度到90％的強度之間少于.2μm，即斜度大約＞9。其中如果光束分布不夠陡，由于能量密度波動導致晶化區(qū)域(地帶)波動，則可能存在較短的橫向生長距離以及掃描方向上晶化地帶總寬度變化的情況。
圖7示出可能存在這樣的場合，不處理工件全部的長度或寬度，例如在最先掃描的晶化區(qū)域之前或之后，以及在最后掃描的晶化區(qū)域之后，或是沿著一般正交于掃描方向的光束的縱向范圍以外的邊緣，故意在工件端部留下邊界142不處理。使用在這里，術語工件的全部范圍是指，例如對于晶化來說工件的期望覆蓋面積的范圍，與是否真正處理整個工件本身無關，從而例如根據本發(fā)明的多個方面用細長的薄光束在所期望的工件部分上沿長度和寬度在一次掃描中形成期望的晶化。
現在參照圖8和9，根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示出根據本發(fā)明有用的光束傳輸和光束處理系統(tǒng)200。所述系統(tǒng)可以接收(take)脈沖激光輸出光束190，并通過光束傳輸單元208和光束處理單元220將其傳輸給例如在工作臺204上的工件。光束傳輸單元208可以包括光束穩(wěn)定性計量模塊206，計量模塊206可以測量光束定位和指向，以及光束能量，并為BDU 208中的旋轉鏡(turning mirror)210提供主動反饋控制。
所述系統(tǒng)可以包括衰減器(attenuator)202，所述衰減器202工作在反饋控制中，以將光束190衰減例如大約5％-50％，用于在工作臺205上工件130處的劑量控制。衰減器202可以包括冷卻單元204。系統(tǒng)200還可以具有光束穩(wěn)定性計量模塊(“SMM”)206和光束穩(wěn)定性控制模塊210(“BSC”)210。BDU 208的輸出被光束處理模塊220接收。
在光束190的光路中還可以有光束衰減器230，可以通過操縱電磁線圈(operatingsolenoid)232將所述衰減器230插入或撤離光束190在BDU 210內的光路。例如，光束衰減器230可被用來將光束最多衰減大約99％，以允許在下游以較低的光束功率水平進行計量。通過使用由光束分束器操縱電磁線圈244在光束190的光路中插入的光束分束器242，原始光束分布測量器(profiler)可以被用來測量(profile)接近激光系統(tǒng)160的光束分布。
光束分束器246可以被用來使光束190的小部分轉向到SMM206中，就在光束190進入光束處理模塊置220之前，在SMM 206中對光束190進行計量。SMM可以監(jiān)控光束定位、指向(角度)和能量，并向BSC和/或主控制器208提供關于這些參數的信息，所述主控制器包括例如已編程的計算機處理器，所述已編程的計算機處理器也可以通過網絡鏈路(例如RS-422)與激光系統(tǒng)160、BSC 210以及工件輪廓(workpiece profile)和能量探測器/控制器270保持通信。BSC可以與激光器和衰減器保持直接通信，以用于進行外部的激光器輸出能量控制和衰減控制，并且BSC還可以具有到脈沖寬度監(jiān)控器260的輸出。
在光束190進入光束處理模塊220之前，通過使用由可以手動操作的操縱電磁線圈254插入到光束190的光路中的光束分束器256，例如用功率表的攝像機(camera of powermeter)測量光束的服務工具可以被手動地插入到光束190的光路中。
系統(tǒng)還可以具有氮凈化模塊(nitrogen purge module)272，所述氮凈化模塊272可以用來凈化BDU 208光束光路、光束處理模塊220和工作臺205中的一個或更多個。
安全傳感器274可以與N2電磁閥一起來凈化光束處理模塊和/或工作臺205。
快門248可以被放置在光束190的光路上，以防止光束190進入光束處理模塊220。
在沒有主動光束穩(wěn)定化(例如BDU 208中的旋轉境210的反饋控制)的情況下，光束指向漂移可能會非常大，例如高達100到200μrad。然而，在具有穩(wěn)定化控制的情況下，偏離可以被保持為例如達到大約±25μrad的目標，這可以獨立于激光負載循環(huán)(duty cycle)的影響而實現。在沒有光束參數(例如指向和角度)主動反饋控制的情況下，可能會發(fā)生相對快速的偏離，例如指向偏離，這至少部分是由于負載循環(huán)改變，即達到200μrad左右，其中在突發(fā)(burst)之間具有例如±50μrad的改變。應該理解在操作中系統(tǒng)200可以提供以光束分布和在激光器出口的功率的形式提供的計量和控制，使用穩(wěn)定化計量模塊(SMM)進行的主動光束漂移(角度和定位)校正，用于維持整個光束傳遞、光束處理和光束利用過程中的能量穩(wěn)定性的能量傳感器反饋，在工作臺上的襯底上進行的輪廓監(jiān)控；用于優(yōu)化工作臺上的襯底上的光束而輸入到光束傳輸光學裝置的分布監(jiān)控反饋；以及從工作臺上和SMM中的能量監(jiān)控器輸入到激光器的功率監(jiān)控反饋。
系統(tǒng)能夠以這樣的參數工作例如至少920mm的工作長度，如果必要的話，線寬分辨率＜0.05μm，單方向可重復性＜±0.25μm，精確度＜±1μm，以及～20μm的自動聚焦系統(tǒng)。
根據本發(fā)明的實施方案的多個方面，SMM用來測量光束指向和定位，并且BSC中已編程的控制器(未示出)計算光束指向和定位各自的錯誤信號，接著所述錯誤信號被主控制器280用來控制諸如激光能量輸出、激光觸發(fā)器和衰減器202這樣的項目。如表I所示，對于工件上固定的N.A.，等同的系統(tǒng)中所產生的縮減量(reduction)變化。
表I

根據本發(fā)明的多個方面，造成了領結(bowtie)效應，即在光束的短軸方向上的光束擴展朝著光束的長軸方向上光束的縱向端發(fā)展。對于短軸上5-20μm的光束來說，在光束的端部(例如在±182.5mm處)，例如20μm增長為大約40μm到60μm之間。對于在短軸方向上線寬為400μm的光束來說，這樣的光束擴展可以忽略的。但是，根據本發(fā)明的實施方案的多個方面，這種在大約2x到12x之間的光束增長(取決于光束長軸中心的光束線寬)是不可接受的。可以進行具有較小線弓形(line bow)效應的裂口LSF(split LSF)。光束縱向端的性能以幾種方式惡化，包括長軸上的線寬增長、長軸均勻性(uniformity)的喪失和掩模(mask)平面(plane)上綜合效率(integrated efficiency)的喪失。根據本發(fā)明的實施方案的多個方面，這將使長軸均勻性、線端處的劑量、穩(wěn)定性以及吞吐量超出在細長的薄光束ELA系統(tǒng)中的規(guī)范。
這種線弓形至少由兩種因素產生，所述兩種因素包括幾何長度以及光束長短軸之間斜光線的相互作用(即長軸生成和在掩模平面上的短軸聚焦之間的相互作用)。申請人提出通過使用合成的“土豆片(potato chip)”透鏡來減小不期望的線弓形的影響，所述“土豆片”透鏡根據到長軸中心的距離，用例如定位在短軸物光學裝置(field optic)的輸出處的弱(低功率)交叉柱面透鏡不同地折射所述光束。人們相信，其他造成線弓形的因素是短軸縮減透鏡(reduction lens)的傾斜度(obliquity)和短軸陣列的單元內的傾斜度，人們相信這些因素是可校正的，或至少可以通過在短軸的焦點上的漸暈(vignetting)以相反效果來降低這些因素的影響。
非均勻性也可能是由于光束相干性(coherence)造成的干涉所引起的散斑(speckle)的結果，對于不會受到這種散斑和相干性問題影響的更高度發(fā)散的激光來說，就不會有這樣的問題?？s減(reduction)是可以用分布式延遲設備(例如合成的“土豆片”透鏡)來達到的干涉效應。分布式延遲設備是已知的，如P.Dainesi在“＿”(應用光學，1997)中所示，它公開的內容通過引用被包括在本文之中。
申請人提出一種系統(tǒng)，其中工件上光束的尺寸為例如365mm×5-20μm，視場為例如18mm，在沒有脈沖展寬的情況下能量密度為400-1000mJ/cm2，在脈沖展寬情況下能量密度為＞600mJ/cm2，并且所述系統(tǒng)具有運行為大約755個負載循環(huán)的能力。此外，系統(tǒng)預期可以具有例如0.13的N.A.和20到5之間的縮小倍率，其中在2.0μm L/S圖形下DOF＞±10μm，衰減器透射率(transmittance)在10％到100％之間，以及手動方式操作下衰減器穩(wěn)定性＜0.5％。本發(fā)明還能夠使用尺寸為例如5或6英寸、厚度為120mil的掩模，手動或自動地(可選的)對準，x、y、z軸移動范圍(travel)為1160mm×400mm×lmm，分辨率為x＝0.1μm，y＝0.02μm，z＝0.5μm，在整個移動范圍內＜±1.0的精度，以及高至大約500mm/s的移動速度。還預期有1.0°的θ行程(theta travel)。還預期有至少77mJ/脈沖的脈沖能量，至少4KHz的重復率，300W的功率，輸出波長大約351nm，在大約351處使用XeF的雙峰，在大約351的任一側使用XeF的次峰，脈沖寬度大約29±5ns(FWHM)，例如兩個脈沖間隔大約為100ns或≥200ns(FWHM)時脈沖寬度為30ns，氣體壽命為大約40×106個脈沖或更多。
為了簡化光束的采樣，優(yōu)選線性偏振。進入第一均化器(homogenizer)的光束寬度預期為30mm×30mm，其中光束接近在光束的短軸方向上受限制的衍射，例如為了獲得工件上的10μm光束，而由于短軸上的損壞(spoiling)導致的空間相干性和±2％的光束穩(wěn)定性滿足例如在150mJ上15％的均勻性目標。
在掃描長度0.01mm，掃描寬度730mm，掃描長度方向上重疊為線寬的75％-80％的情況下，預期光束傳輸單元傳輸百分比(transmission percentage)為72.30％和脈沖展寬器脈沖傳輸百分比為65.36％。這可以用具有例如154mJ的最小能量、功率為618w的激光器來達到。
預期焦深＞100μm(±50μm)，像場曲率(image field curvature)＜20μm(±10μm)，在長軸上光束均一性(homogeneity)＜10％(±5％)以及＜5％(±2.5％)，光束陡度(steepness)＜10μm(10％-90％)。應該理解在操作中申請人用細長的薄光束解決了與適當的SLS性能相關的兩個關鍵問題，例如水平光束發(fā)散，該問題是用例如目標為0.15mrad@1/e2的低功率交叉柱面透鏡和用來自激光器的較低發(fā)散度初始光束來解決的，這便于達到所需要的在襯底上10到20□m的斑點大小，以及維持水平斜度＜10□m(即50μrad)的水平光束指向，所述水平光束指向是通過例如在BDU中快速執(zhí)行主動光束操控來達到的。
圖10A示出根據本發(fā)明的實施方案的多個方面，傳輸到掩模平面的光束的短軸方向上的強度分布的實施例，該實施例示出從10％到90％的側面斜度為0.02μm，光束線寬為大約130μm FWHM。圖1B示出光束被場闌狹縫(掩模)修整/切斷，以在掩模出處形成具有大約100μm FWHM和從10％到90％側面斜度為0.01μm的光束。圖11示出工件短軸上成像的脈沖光束寬度，它在90％處具有例如＜20μm的寬度，ΔI/Δx的斜度＜7μm，并且ΔI＜5％。
圖12A示出具有領結狀橫向光束寬度發(fā)散的光束的實施例，并且圖12B根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示出所述發(fā)散被移除的光束。
圖13根據本發(fā)明的實施方案的多個方面示出包括領結狀發(fā)散校正光學部件(element)的光學系統(tǒng)。
根據本發(fā)明的多個方面，XeF是一種合適的激光系統(tǒng)，因為351nm左右的中心波長在對于給定波長來說硅的反射率保持在非常低的區(qū)域內，而隨之對于該波長來說吸收率非常高，然而對于大大長于此波長的波長來說吸收率快速地下降到這樣的水平，即在該水平下所需的傳輸到工件的能量很難達到。此外，351nm在DUV的范圍內，在該范圍中光學元件損壞因素可以較輕易且不昂貴地滿足，然而，特別是在如此高的脈沖重復率下，下降到較低的標稱波長(例如對于KrF來說248)，可能造成光學損壞避免因素的滿足要難得多和昂貴得多。
申請人還已經認識到在激光器和工件之間的光學鏈中、在長軸光學裝置之前放置短軸光學裝置的做法的益處。
根據本發(fā)明的多個方面，短軸上的線寬LWvert＝pvfs[(f1+f2)-α，其中pv是例如形成均化器中每條通道的單獨的柱面透鏡在短軸上的寬度，α是沿光學路徑上的這樣的柱面透鏡形成的第一組透鏡和第二組透鏡之間的距離，fs與短軸均化器的聚焦光學裝置相關。在工件上的LW即LWwp等于縮減度(RED″)乘以LWvert。LWIFF+244λ(f/狹縫孔徑)＝244λ(Fshort/pv。此外，掩模的LWDIFF大致等于RED(LWDIFF)。線寬發(fā)散度LWDIFF大致等于系統(tǒng)的fs1乘以激光光束的短軸發(fā)散度θs。每個通道的系統(tǒng)的fs1＝(f1/f2)*f短軸*RED，例如50/45乘以100mm乘以1/5X，所以LWDIV＝20mm×0.0001或大致2μm。一前一后的透鏡f1和f2是起望遠的和準直作用的。對于一些控制常數方程，例如J＝RED LWV+LWDIFF＝LWDIV，J可以是針對一些系統(tǒng)約束(例如pv和fs)而被最小化。發(fā)散度θs1等于激光器的θ短軸乘以(激光器的WL/WS。這一直起作用直到激光發(fā)散度或相干性中任一種或兩者造成問題。不滿足α＜f1+f2，則在相鄰通道中可能會發(fā)生串擾(cross talk)，這導致例如工件上的圖像中的條帶(strip)。此外，可以調整f1和f2來控制場闌處的均勻性和側面斜度(sidewall slope)，以及由此控制工件處的均勻性和側面斜度。側面的垂直性上的邊緣模糊(blur)是幾何像差和激光發(fā)散度兩者的函數。
根據本發(fā)明的多個方面，申請人提出向工件提供細長光束，所述細長光束與本領域中數百μm的線寬形成對照。還是根據本發(fā)明的實施方案的多個方面，申請人提出將長軸陣列套起來。
根據本發(fā)明的多個方面，提供了高能量、高重復率的工件表面加熱機構，所述機構包括脈沖XeF激光器，所述脈沖XeF激光器工作在4000Hz或高于4000Hz并在大約351nm的中心波長處產生激光輸出光脈沖光束；光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)將所述激光輸出光脈沖光束窄化為在激光輸出光脈沖光束的短軸上小于20μm，并將所述激光輸出光脈沖光束擴展，以在光束的長軸方向上形成覆蓋所述長軸范圍的工件，所述范圍為370mm或930mm；所述光學系統(tǒng)包括介于激光器和工件之間的場闌；所述工件包括要被加熱的層；其中所述光學系統(tǒng)以足夠維持如下強度分布的放大率將激光輸出光脈沖光束聚焦在場闌處，所述強度分布具有足夠陡的側面，以允許場闌在工件上維持足夠陡的光束分布而不會在太高的強度水平上不阻擋光束分布，例如在大約5-10％強度水平上修整或切斷光束分布，與本領域中在FWHM處或在FWHM之上相反。
權利要求
1.一種高能量、高重復率的工件表面加熱機構，包括脈沖XeF激光器，所述脈沖XeF激光器工作在4000Hz或高于4000Hz，并且在大約351nm的中心波長處產生激光輸出光脈沖光束；光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)將所述激光輸出光脈沖光束窄化為在所述激光輸出光脈沖光束的短軸方向上小于20μm，并且將所述激光輸出光脈沖光束擴展，以在所述光束的長軸方向上形成覆蓋所述長軸范圍的工件；所述光學系統(tǒng)包括介于所述激光器和所述工件之間的場闌；所述工件包括要被加熱的層；其中所述光學系統(tǒng)以足夠維持如下的強度分布的放大率將所述激光輸出光脈沖光束聚焦在場闌處，即所述強度分布具有足夠陡的側面，以允許所述場闌在工件上維持足夠陡的光束分布而不會在太高的強度水平阻擋所述光束分布。
2.如權利要求1所述的設備，還包括當所述激光輸出光脈沖光束被傳輸到所述工件時所述激光輸出光脈沖光束中的高平均功率。
3.如權利要求1所述的設備，還包括在短軸光學組件中的線弓形校正機構。
4.如權利要求1所述的設備，還包括所述線弓形校正機構包括多個弱交叉柱體。
5.如權利要求1所述的設備，還包括所述光學系統(tǒng)包括折反射投影系統(tǒng)。
6.如權利要求1所述的設備，還包括其中，由于激光衍射和發(fā)散，所述線寬小于幾何限制。
7.如權利要求1所述的設備，還包括所述系統(tǒng)投影標稱XeF光譜的相鄰峰，以通過每個各自的相鄰峰的分離的中心波長來提高總體焦深，所述相鄰峰在所述工件上具有不同的焦平面。
8.如權利要求1所述的設備，還包括線弓形校正機構，所述線弓形校正機構在場闌光學組件內于所述場闌平面上校正線弓形，在工件投影光學組件內于所述工件平面上校正線弓形。
全文摘要
公開了一種高能量、高重復率的工件表面加熱方法和設備，所述工件表面加熱方法和設備可以包括脈沖XeF激光器，所述脈沖XeF激光器工作在4000Hz或高于4000Hz并在大約351nm的中心波長處產生激光輸出光脈沖光束；光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)將所述激光輸出光脈沖光束窄化為在所述激光輸出光脈沖光束的短軸方向上小于20μm，并將所述激光輸出光脈沖光束擴展，以在所述光束的長軸方向上形成覆蓋所述長軸范圍的工件；所述光學系統(tǒng)包括介于所述激光器和所述工件之間的場闌；所述工件包括要被加熱的層；其中所述光學系統(tǒng)以足夠維持如下的強度分布的放大率將所述激光輸出光脈沖光束聚焦在場闌處，即所述強度分布具有足夠陡的側面，以允許場闌在工件上維持足夠陡的光束分布而不會在太高的強度水平2上阻擋光束分布。所述設備還包括當所述激光輸出光脈沖光束傳輸到所述工件時所述激光輸出光脈沖光束中的高平均功率以及短軸光學組件中的線弓形校正機構。所述線弓形校正機構包括多個弱交叉柱體。所述系統(tǒng)可以包括折反射投影系統(tǒng)。由于激光衍射和發(fā)散，所述線寬小于幾何限制。所述系統(tǒng)可以投影標稱XeF光譜的相鄰峰，以通過每個各自的相鄰峰的分離的中心波長來提高總體焦深，所述相鄰峰在所述工件上具有不同的焦平面。所述系統(tǒng)可以包括在場闌光學組件內和工件投影光學組件內的線弓形校正機構，所述場闌光學組件內的線弓形校正機構在所述場闌平面上校正線弓形，所述工件投影光學組件內的線弓形校正機構在所述工件平面上校正線弓形。
文檔編號B23K26/00GK1886228SQ200480035030
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月12日 優(yōu)先權日2003年11月26日
發(fā)明者威廉·N·帕特羅, 帕拉什·P·達斯, 拉塞爾·赫迪瑪, 邁克爾·托馬斯 申請人:Tcz股份有限公司