[0096]用于加熱和熔化硅的改進(jìn)方法
[0097]為了改進(jìn)作為自對(duì)準(zhǔn)金屬接觸形成過(guò)程的一部分的激光摻雜工藝的質(zhì)量，需要以與先前利用傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)進(jìn)行的方式不同的方式來(lái)加熱硅。熔化之后為了將摻雜劑摻合到硅中，需要在時(shí)間h上將熱連續(xù)施加于熔化區(qū)域(見(jiàn)圖5)，以在至少一微秒內(nèi)且優(yōu)選地在2-10微秒內(nèi)保持溫度近似恒定。這允許有足夠時(shí)間使摻雜劑在整個(gè)熔化區(qū)域均勻地重新分布，同時(shí)保持熔化容量近似恒定(這在溫度變化的情況下是不可能的)。為了實(shí)現(xiàn)上述，在給定位置中從激光器接收到的功率需要隨時(shí)間改變，如圖5所示，其中，要求持續(xù)時(shí)間^的脈沖的初始高功率區(qū)域快速熔化硅，而較低功率的尾部需要具有適當(dāng)?shù)某掷m(xù)時(shí)間t2和功率級(jí)別，使得保持在所需持續(xù)時(shí)間上保持熔化區(qū)域在近似恒定溫度。特別重要的是，硅在高達(dá)2-10微秒上保持熔化，以確保將足夠量的摻雜劑摻合到熔化區(qū)域并且在熔化硅內(nèi)適當(dāng)?shù)鼗旌线@些摻雜劑。這種工藝同時(shí)通過(guò)破壞覆蓋介電層(通常氮化硅)，來(lái)暴露重度摻雜硅表面。這便于后續(xù)形成金屬接觸，例如，通過(guò)將金屬直接鍍到這些重度摻雜區(qū)域。因此，該工藝帶來(lái)選擇性發(fā)射極的形成，從而經(jīng)由激光摻雜工藝形成的小面積金屬接觸自動(dòng)與圖1所示的重度摻雜區(qū)域自對(duì)準(zhǔn)。
[0098]針對(duì)硅的激光摻雜的解決方案是產(chǎn)生激光脈沖，激光脈沖的能量如圖5所示根據(jù)時(shí)間，能量的初始峰是用于在足夠持續(xù)時(shí)間h內(nèi)將硅加熱到其熔點(diǎn)，而脈沖的后續(xù)和更長(zhǎng)的部分在持續(xù)幾個(gè)微秒的更低能級(jí)上，并且在將熔化硅保持在近似恒定溫度的能量強(qiáng)度上。在脈沖結(jié)尾處，激光能量在時(shí)間段t3內(nèi)下降，允許冷卻和固化娃，直到下個(gè)激光脈沖到達(dá)。理想地，結(jié)合激光束的掃描速度Vsran，選擇這些脈沖的頻率Fpul_，使得時(shí)間1/ (Fpulses)中掃描束所傳播的距離在光束直徑的50-100%范圍內(nèi)。這確保激光摻雜形成連續(xù)線，但是防止鄰近脈沖之間的過(guò)度交疊，使得任何硅不會(huì)被熔化兩次以上，以免過(guò)度熱循環(huán)。例如，如果^_是lm/s，頻率是100kHz，則激光束在并置脈沖的開(kāi)始之間的時(shí)間內(nèi)相對(duì)于硅表面移動(dòng)10微米。這表示典型光束直徑的近似67% (近似15微米)。
[0099]實(shí)現(xiàn)這種結(jié)果的一種方法是將兩個(gè)激光束疊加在彼此之上，從而以期望脈沖頻率下對(duì)一個(gè)激光束進(jìn)行Q開(kāi)關(guān)，其中每個(gè)脈沖的功率接近熔化硅所需的每個(gè)脈沖的功率，而第二激光器在連續(xù)波穩(wěn)態(tài)模式下操作，提供適合于保持熔化硅在近似恒定溫度的能級(jí)。后一種激光功率太低，以至于在每個(gè)位置暴露于激光器下時(shí)不能熔化硅(或者，如果后一種激光器功率的確熔化硅，那么所花費(fèi)的時(shí)間也太長(zhǎng)，使得硅無(wú)法在足夠長(zhǎng)時(shí)間上保持熔化)。然而，疊加來(lái)自另一激光器(具有獨(dú)立光學(xué)腔)的Q開(kāi)關(guān)激光脈沖允許將硅快速地加熱到用于熔化的適當(dāng)溫度，其后，低功率cw激光器提供足夠能量來(lái)保持硅熔化。然而，在這種方法中，當(dāng)將光束掃描過(guò)晶片表面時(shí)，并置激光脈沖之間的重疊是必要的，以確保熔化且摻雜的區(qū)域的連續(xù)性。這會(huì)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橛捎诘凸β始す馄鞅３制錅囟群愣?，?lái)自一個(gè)脈沖的熔化硅在下個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)仍保持熔化，由于與下個(gè)Q開(kāi)關(guān)脈沖的后續(xù)交疊，因此危險(xiǎn)使已經(jīng)熔化的硅達(dá)到其氣化溫度。因此看起來(lái)利用該方法，少量的燒蝕是不可避免的，盡管該方法與利用傳統(tǒng)Q開(kāi)關(guān)或連續(xù)波激光器進(jìn)行的激光摻雜相比仍具有顯著改進(jìn)。理想地，低功率cw激光器需要在緊接下個(gè)Q開(kāi)關(guān)脈沖到達(dá)之前降低或停止其功率，以允許硅在某種程度上冷卻。盡管激光器系統(tǒng)在理論上被配置為以這種方式進(jìn)行工作，但是實(shí)際上，對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)激光器很困難，使其在最好的情況下不可靠，且在最壞的情況下不可工作。
[0100]另一種方法涉及控制Q開(kāi)關(guān)激光器的Q，這在理論上便于形成如圖5所示功率依據(jù)時(shí)間的激光脈沖。在正常Q開(kāi)關(guān)激光器中，這不是現(xiàn)有功能，因?yàn)橐氲焦鈱W(xué)腔中的損耗本質(zhì)上是二元的，僅具有兩個(gè)離散級(jí)別，一個(gè)級(jí)別使Q較高(低損耗)，從而激光器增益較高，一個(gè)級(jí)別使Q較低(高損耗)，從而增益較低。根據(jù)利用無(wú)限可變Q值來(lái)控制腔的Q的特殊設(shè)計(jì)布置，在理論上能夠構(gòu)造如圖5所示能量脈沖的功率與時(shí)間曲線，其中初始高能量區(qū)域具有適當(dāng)?shù)姆逯倒β始?jí)和持續(xù)時(shí)間來(lái)熔化硅，尾部也具有適當(dāng)?shù)墓β始?jí)和持續(xù)時(shí)間，以保持在足以充分混合摻雜劑的時(shí)間內(nèi)將已熔化區(qū)域保持在近似恒定溫度，隨后是更低能級(jí)下的短暫時(shí)間段，這允許硅在下個(gè)激光脈沖到達(dá)之前充分冷卻。選擇脈沖的整體時(shí)序和頻率，以給出并置脈沖之間所需的交疊水平。
[0101]用于實(shí)現(xiàn)上述方法的等同效果的另一種方法是利用小間距的脈沖序列(具有比正常Q開(kāi)關(guān)脈沖低得多的能量)來(lái)合成功率與時(shí)間曲線，間距小的脈沖序列在被“濾波”以去除最高次諧波時(shí)產(chǎn)生圖5的功率與時(shí)間曲線。這可以使用僅以二元形式在光學(xué)腔中僅引入損耗的更傳統(tǒng)的Q開(kāi)關(guān)布置來(lái)進(jìn)行，其中損耗級(jí)別僅是較高或較低，但是相對(duì)于施加損耗的時(shí)間長(zhǎng)度而言，可以以更受控的方式來(lái)施加損耗。當(dāng)要產(chǎn)生Q開(kāi)關(guān)脈沖時(shí)，去除對(duì)光學(xué)腔有意施加的損耗，因此實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射和高能量脈沖的產(chǎn)生。如果在脈沖產(chǎn)生的中途足夠快地重新施加損耗，則激發(fā)態(tài)下的電子數(shù)目N可以保持接近Nth或超過(guò)Nth，因此使得幾乎立即產(chǎn)生另一脈沖是可行的。因此，可以在更長(zhǎng)時(shí)間段上產(chǎn)生一系列更小脈沖，而不產(chǎn)生單個(gè)短高能量脈沖，在這之后N下降至可忽略值。當(dāng)對(duì)硅施加這樣的能量脈沖序列時(shí)，若脈沖之間的時(shí)間段足夠短(遠(yuǎn)低于納秒)，硅的有限熱傳導(dǎo)率意味著，僅僅是通過(guò)激光脈沖共同傳遞至硅的能量的量，而不是其所采用的實(shí)際形式(即，功率與時(shí)間關(guān)系)，這是重要的。例如，從正熔化的硅的角度來(lái)看，圖7中所示的兩種形式激光輸出是等同的，如果“t”遠(yuǎn)低于納秒。由于硅所執(zhí)行的該“濾波”功能，使得能夠根據(jù)在時(shí)間上間距小的多個(gè)小脈沖，虛擬地合成任何期望的激光輸出。
[0102]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)上述每個(gè)小脈沖的大小的控制，可以使用與光學(xué)腔中的光子通量關(guān)聯(lián)的反饋，使得當(dāng)在形成Q開(kāi)關(guān)脈沖期間光子通量達(dá)到特定級(jí)別時(shí)，可以將損耗重新引入到光學(xué)腔中，以防止進(jìn)一步受激發(fā)射，并因此防止形成高能量脈沖的其余部分(否則就會(huì)發(fā)生)。參照?qǐng)D12，可以應(yīng)用這種反饋的一種方式是使用光學(xué)腔非輸出端上的微透射型反射鏡，利用諸如太陽(yáng)能電池之類(lèi)的光敏器件測(cè)量通過(guò)反射鏡出射的光的強(qiáng)度，該光強(qiáng)度與光學(xué)腔中的光子通量成比例。對(duì)該光強(qiáng)度的測(cè)量可以用于確定應(yīng)當(dāng)將損耗重新施加于光學(xué)腔的時(shí)間。
[0103]作為該方法的示例，可以通過(guò)圖8的曲線B所示的短脈沖序列等效地合成圖8的曲線A。
[0104]合成圖5的功率與時(shí)間曲線的備選且創(chuàng)新的方法是利用這種類(lèi)型激光器的瞬變行為來(lái)有意觸發(fā)一系列高頻小脈沖，每個(gè)峰值功率遠(yuǎn)超過(guò)激光器的穩(wěn)態(tài)連續(xù)波輸出，但是遠(yuǎn)低于Q開(kāi)關(guān)激光器的正常水平。這樣的瞬變響應(yīng)應(yīng)當(dāng)能夠在操作在穩(wěn)態(tài)cw模式下時(shí)通過(guò)在一微秒的若干分之一(長(zhǎng)到足以停息激光發(fā)射動(dòng)作與相應(yīng)的受激發(fā)射)內(nèi)將光損耗引入到光學(xué)諧振器來(lái)觸發(fā)，從而將光子通量降低至近似為零。在這種情況下，N應(yīng)當(dāng)保持近似等于Nph，但是逐漸增加到超過(guò)Nph，因?yàn)楸患ぐl(fā)電子的產(chǎn)生顯著超過(guò)它們的復(fù)合。這允許將能量存儲(chǔ)在激光棒中，由具對(duì)光學(xué)腔施加損耗的持續(xù)時(shí)間確定來(lái)存儲(chǔ)能量的量。如果損耗是幾乎立即去除的，則允許重新發(fā)起受激發(fā)射，但是由于遠(yuǎn)低于穩(wěn)態(tài)值的低光子通量，在比穩(wěn)態(tài)低的級(jí)別下重新發(fā)起。因此，這應(yīng)當(dāng)允許增益在N繼續(xù)增加到遠(yuǎn)超過(guò)Nph(如圖9所示)的時(shí)間段上保持低于1。增加的N和光子通量會(huì)最終引起增益超過(guò)1，觸發(fā)從激光輸出中產(chǎn)生小脈沖。這樣的脈沖引起N下降至遠(yuǎn)低于Nph，但是值仍遠(yuǎn)超過(guò)在正常高能量Q開(kāi)關(guān)脈沖之后存在的值。在這種情況下，增益自然下降至低于單位1，而無(wú)需將損耗引入到光學(xué)腔中，從而光子通量不會(huì)降低至這樣的低值。該過(guò)程自身重復(fù)，除了如圖9所示下個(gè)脈沖應(yīng)當(dāng)小一點(diǎn)以外，因?yàn)楣庾油坎恍枰獛缀鯊牧銟?gòu)建，因此可以更快地觸發(fā)。在其他若干個(gè)這種循環(huán)之后，其中如圖所示每個(gè)后續(xù)脈沖變小一點(diǎn)，激光輸出放松回到穩(wěn)態(tài)輸出。
[0105]對(duì)于激光摻雜工藝重要的是，在欠阻尼響應(yīng)的瞬變時(shí)間段期間這些小脈沖的頻率足夠高，使得由于硅的有限熱傳導(dǎo)率，吸收能量的硅不會(huì)有機(jī)會(huì)在小脈沖之間明顯地改變溫度。因此類(lèi)似于方法3中，硅有效地濾波圖9的波形。因此重要的是瞬變時(shí)間段期間傳遞至硅的平均能量，在瞬變時(shí)間段之后，可以使激光器在至少長(zhǎng)到熔化硅以便于充分摻雜劑混合所需的時(shí)間內(nèi)以連續(xù)波進(jìn)行操作。如果可以在需要時(shí)且在期望持續(xù)時(shí)間上將損耗引入到光學(xué)腔內(nèi)，這與將激光器功率設(shè)置在穩(wěn)態(tài)cw操作所需的級(jí)別下以保持熔化的硅在近似恒定溫度相結(jié)合，因此該方法在理論上也可以用于控制針對(duì)激光摻雜工藝的圖5的功率與時(shí)間曲線的所有重要方面。這包括總脈沖的持續(xù)時(shí)間(出于在所需時(shí)間段內(nèi)將硅保持在其熔化狀態(tài)下的目的)，控制脈沖的初始高能量瞬變部分的能量的量(通過(guò)控制將損耗引入到光學(xué)腔中的持續(xù)時(shí)間來(lái)熔化硅)，以及脈沖的穩(wěn)態(tài)cw時(shí)間段期間的功率級(jí)(在摻雜劑充分混合時(shí)將硅保持在恒定溫度下)。已知的現(xiàn)有激光器不具有這種功能，或者對(duì)于用戶(hù)而言不能獲得該功能。必須開(kāi)發(fā)用于控制Q開(kāi)關(guān)的新電路來(lái)將損耗引入到光學(xué)腔中，以實(shí)現(xiàn)這種靈活性和用戶(hù)的控制。
[0106]另一種方法是在連續(xù)波模式下使用532nm波長(zhǎng)激光器，以避免惡化缺陷產(chǎn)生的熱循環(huán)，但是同時(shí)在加熱/熔化工藝期間移動(dòng)激光束，以控制傳遞至在特定位置處被摻雜的硅的能量的量，從而控制其達(dá)到的溫度。例如，通過(guò)將激光能量傳遞至鄰近位置并且使用硅的熱阻和遠(yuǎn)離該位置的距離，來(lái)控制將多少能量傳遞至被摻雜的位置，從而在某種程度上對(duì)激光摻雜的特定位置進(jìn)行加熱，而無(wú)需直接暴露于激光束下。例如，如果能夠?qū)⒓す馐鴱囊粋€(gè)位置立即移動(dòng)至另一位置，則使傳遞至正進(jìn)行激光摻雜的特定位置的功率采用圖5的形式，從而時(shí)間段^表示對(duì)正進(jìn)行激光摻雜的位置初始直接施加連續(xù)波(cw)激光，其后，在時(shí)間t2ft重新定位到鄰近位置，在鄰近位置中硅的熱阻降低了傳遞至激光摻雜的位置的能量，如圖5所示，其后將激光束遠(yuǎn)遠(yuǎn)地移除，使得傳遞至激光摻雜的位置的能量降低至可忽略值。盡管在理論上這是可行的，但是實(shí)際上，激光器不能如此進(jìn)行操作，首先因?yàn)榧す馄鞑荒芰⒓锤淖兾恢?，其次，因?yàn)榧す馐词乖诒痪劢箷r(shí)也具有有限直徑，通常也大于10微米，這使其不能在^期間將圖5形式的功率精確傳遞至直接暴露于硅光束下的硅的所有部分。
[0107]然而，通過(guò)適當(dāng)控制cw激光器的穩(wěn)態(tài)功率Ess，然后以適當(dāng)速度向著要進(jìn)行激光摻雜的位置掃描激光束，然后以適當(dāng)速度再次從該位置移開(kāi)，傳遞至該特定位置的能量可以采用如圖10的頂部圖表所示的形式。如圖10的底部圖表所示，這便于在該位置中熔化硅，同時(shí)還便于在至少2微秒上保持硅熔化，以實(shí)現(xiàn)充分摻雜劑混合，同時(shí)避免硅的燒蝕和重復(fù)的熱循環(huán)。然而，如果激光器的掃描速度過(guò)高，則硅在激光摻雜的位置處甚至不能到達(dá)熔化溫度，或者備選地，硅可以被熔化，但是不能保持熔化足夠長(zhǎng)時(shí)間使得摻雜劑充分混合。在另一個(gè)極端情況下，如果對(duì)于給定激光功率Ejt光掃描速度太低，則會(huì)將太多能量傳遞至已熔化硅，并且超過(guò)溫度Tv，在溫度1；下硅和摻雜劑被燒蝕。
[0108]類(lèi)似地，對(duì)于充分執(zhí)行激光摻雜工藝的來(lái)自激光器能量Ess，僅存在特定范圍的可接受功率級(jí)。EJ直太低將不能熔化硅，否則迫使激光器以低的掃描速度來(lái)實(shí)現(xiàn)熔化，致使該工藝不可行。在另一極端情況下，EJ直太高迫使高的激光掃描速度以避免硅燒蝕，傳遞至位置的能量太快速地降至太低值，致使無(wú)法在所需的2微秒或更長(zhǎng)時(shí)間上保持硅熔化。
[0109]例如，使用13瓦