離子注入機(jī)劑量控制器設(shè)計(jì)

鐘新華，彭立波，易文杰（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111）

離子注入機(jī)劑量控制器設(shè)計(jì)

鐘新華，彭立波，易文杰（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111）

劑量控制器是離子注入機(jī)的核心部件，主要功能有精確測(cè)量離子注入機(jī)束流與注入劑量，控制離子束在電場(chǎng)中水平運(yùn)動(dòng)，并使離子均勻地分布在水平方向和同步垂直掃描運(yùn)動(dòng)完成離子注入的劑量控制。基于這些功能要求，本文提出了一種高精密、多功能和程控式的離子注入機(jī)劑量控制器。首先介紹了離子注入機(jī)劑量控制器工作原理和功能，然后，詳細(xì)地闡述劑量控制器的系統(tǒng)構(gòu)成和各功能模塊設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)。此控制器按功能主要分為多通道、多級(jí)量程的高精度束流與劑量測(cè)量模塊、掃描波形控制模塊、垂直掃描同步信號(hào)檢測(cè)與控制模塊等。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此離子注入機(jī)劑量控制器的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

離子注入；劑量控制；掃描波形；位置同步

1 引言

早在20世紀(jì)60年代，離子注入技術(shù)就應(yīng)用在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)上。離子注入技術(shù)就是將某種元素的原子進(jìn)行電離，并使其離子在電場(chǎng)中加速，獲得較高的速度后植入固體材料的表面，以改變這種材料表面的物理或者化學(xué)性能的一種技術(shù)。

從1858年世界上第一塊集成電路誕生至今的50多年中，世界集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，經(jīng)歷小規(guī)模（數(shù)百個(gè)元件）、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模，到今天已進(jìn)入特大規(guī)模（千萬(wàn)以上個(gè)元件）的時(shí)代。隨著集成度的提高和電路規(guī)模的增大，電路中單元器件尺寸不斷縮小，圖形、特征、尺寸成為每一代電路技術(shù)的特有表征。20世紀(jì)末，集成電路制造技術(shù)主流為0.13微米的8英寸硅片；但是經(jīng)過(guò)幾年的時(shí)間，100納米、65納米、32納米、28納米的工藝也陸續(xù)進(jìn)入生產(chǎn)；同時(shí)受到經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，集成電路制造廠商追求更低的生產(chǎn)成本和更高的生產(chǎn)效率。硅片的尺寸也由200mm增大到300mm，從而可以在單塊硅片上生產(chǎn)更多的器件。

隨著關(guān)鍵尺寸的減小和硅片尺寸的增大，對(duì)晶片摻雜劑量的準(zhǔn)確性和均勻性提出了更高的要求。離子注入設(shè)備的束流和劑量的測(cè)量與控制器是保障注入劑量的準(zhǔn)確性和注入劑量的均勻性關(guān)鍵部件。

離子注入機(jī)是用于晶片的摻雜工藝，將一定能量的離子植入晶片表面。劑量控制器是離子注入機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是精確實(shí)時(shí)地采集離子量，并控制離子在電場(chǎng)中移動(dòng)，將離子按設(shè)定劑量、均勻地、精確地植入到晶片表面。根據(jù)離子注入機(jī)的束斑形狀和注入掃描方式的不同，劑量測(cè)量與控制方式也不一樣，離子注入機(jī)有斑狀束和帶狀束，目前，大部分機(jī)型都是斑狀束，只有低能大束流離子注入機(jī)采用的帶狀束。斑狀束須通過(guò)二維掃描運(yùn)動(dòng)才能將離子植入到整個(gè)晶片表面，帶狀束只需通過(guò)一維機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)就能完成注入功能。而斑狀束的二維掃描運(yùn)動(dòng)又可分為二維電掃描方式、二維機(jī)械掃描方式和電掃描與機(jī)械掃描相結(jié)合方式。其中，電掃描方式工作原理是在晶片注入時(shí)晶片保持固定，改變X、Y軸的掃描電場(chǎng)，控制離子束在掃描電場(chǎng)中作二維運(yùn)動(dòng)，將離子束均勻地注入到晶片表面。這種掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是離子注入機(jī)靶室機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是光路相對(duì)復(fù)雜，不能滿(mǎn)足束平行注入，注入均勻性差等，這種方式只適合小尺寸晶片和對(duì)離子注入的均勻性和注入角度要求不高的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝。機(jī)械掃描方式是注入時(shí)離子束保持固定，控制晶片作二維機(jī)械運(yùn)動(dòng)達(dá)到將離子束均勻地注入到晶片表面。此掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是適合大尺寸晶片或多片晶片同時(shí)注入，缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜以及注入均勻性差等。電掃描與機(jī)械掃描相結(jié)合方式的特點(diǎn)是離子注入時(shí)水平方向采用電掃描，垂直方向采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)掃描，這種掃描方式既避開(kāi)了前兩種方式的缺點(diǎn)，又繼承了它們的優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的離子注入機(jī)掃描方法。目前市場(chǎng)流行的離子注入機(jī)機(jī)型均采用這種掃描注入方式，如：Varian公司E500、VIIsta900xp和VIIsta810等。本文提出了一種適合于電掃描與機(jī)械掃描相結(jié)合方式的離子注入機(jī)劑量控制器。

2 劑量控制器工作原理

劑量控制器是離子注入機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是精確實(shí)量地采集離子量，并控制離子在電場(chǎng)中移動(dòng)，將離子按設(shè)定劑量，均勻地、精確地植入到晶片上。適合于電掃描與機(jī)械掃描相結(jié)合方式的離子注入機(jī)劑量控制器主要由以下部分組成：掃描波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與掃描波形輸出、束流與劑量精密采集、垂直方向掃描位置同步檢測(cè)與劑量實(shí)時(shí)控制等。

水平掃描波形發(fā)生器工作原理是根據(jù)束流在水平方向的分布（如圖1所示），通過(guò)校準(zhǔn)算法修正各點(diǎn)的掃描電壓斜率值，使得束流在水平方向分布均勻，并把這些掃描電壓斜率值存儲(chǔ)到掃描發(fā)生器的RAM中，在執(zhí)行掃描的過(guò)程中，掃描發(fā)生器從RAM中實(shí)時(shí)地讀出這些數(shù)值來(lái)產(chǎn)生電壓波形（如圖2所示）。這樣實(shí)現(xiàn)了水平方向掃描速度隨著水平方向各位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的束流大小成比例調(diào)節(jié)，從而保證了每次掃描注入離子在水平向分布的均勻性。

圖1 水平方向束流分布

圖2 水平掃描波形

晶片注入是通過(guò)束在水平方向的掃描運(yùn)動(dòng)和晶片垂直方向的掃描運(yùn)動(dòng)共同完成的，水平和垂直掃描運(yùn)動(dòng)不是獨(dú)立工作的，而是需要同步進(jìn)行。兩者之間的同步方式如下：垂直機(jī)械掃描每當(dāng)運(yùn)動(dòng)一個(gè)等距離ΔS，向離子注入機(jī)劑量控制器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖，即位置同步信號(hào)。離子注入機(jī)劑量控制器檢測(cè)到此觸發(fā)信號(hào)，上升沿有效，輸出一個(gè)“W”型掃描波形。并且，每個(gè)“W”型掃描波形控制一個(gè)劑量積分信號(hào)的產(chǎn)生，積分信號(hào)寬度（低電平有效）可在掃描波形數(shù)據(jù)中進(jìn)行設(shè)定。三個(gè)信號(hào)時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

圖3 劑量控制時(shí)序圖

垂直方向機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)每移動(dòng)一個(gè)ΔS，離子束斑在水平方向完成4次往復(fù)掃描，并完成一次劑量Q采集。即單次注入離子密度為D=Q÷(ΔS×W)，其中W為法拉第杯開(kāi)口寬度，注入掃描原理如圖4所示[1、2]。

圖4 掃描示意圖

3 劑量控制器硬件設(shè)計(jì)

離子注入機(jī)劑量控制器是一個(gè)專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由CPU單元和一些特殊功能電路組成。主要包括CPU單元、通信接口、波形發(fā)生電路、信號(hào)調(diào)理與發(fā)大電路、峰值捕捉電路、劑量積分電路、通道選擇電路、檔位選擇電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 劑量控制器系統(tǒng)構(gòu)成

所述CPU單元采用16位單片機(jī)，主要功能存儲(chǔ)掃描波形數(shù)據(jù)、運(yùn)行控制程序、接收外部指令及垂直機(jī)械掃描同步信號(hào)和統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)其它功能模塊工作等。通信接口采用通用的串口通信口（SPI），工作于從屬模式，實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交互。信號(hào)調(diào)理電路主要功能是將法拉第杯獲得的束流信號(hào)通過(guò)調(diào)理放大為0～10VDC電壓信號(hào)，測(cè)量范圍為0～20mA。為了提高測(cè)量精度，全程分為五個(gè)檔位，分別是2uA、20uA、200uA、2mA和20mA檔。測(cè)量精度非常高，其中，微安和毫安信號(hào)測(cè)量精度〈0.5%，納安信號(hào)測(cè)量精度〈1.0%。CPU單元通過(guò)片選信號(hào)與通道程控開(kāi)關(guān)、檔位程控開(kāi)關(guān)和束流/劑量程控開(kāi)關(guān)相連，程控開(kāi)關(guān)采用固態(tài)繼電器組實(shí)現(xiàn)，控制法拉第杯通道選擇、合適檔位選擇和采集目標(biāo)的選擇。劑量積分電路主要用于測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)法拉第杯采集的電荷量?s。束流峰值檢測(cè)電路用于檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)束流的峰值，束流峰值主要用于合適的測(cè)量檔位的選擇。波形發(fā)生器的波形數(shù)據(jù)寄存在CPU單片的RAM中，每一點(diǎn)波形數(shù)據(jù)由4個(gè)字節(jié)組成，其中有兩個(gè)字節(jié)為電壓值，另外兩個(gè)字節(jié)為此點(diǎn)電壓對(duì)應(yīng)的斜率值。掃描波形輸出通過(guò)程序控制，當(dāng)啟動(dòng)波形輸出時(shí)，CPU單元會(huì)逐個(gè)地將電壓坐標(biāo)和斜率坐標(biāo)送到波形輸出執(zhí)行電路，執(zhí)行電路按給定的斜率輸出掃描電壓，并同時(shí)比較實(shí)際輸出電壓與給定是電壓坐標(biāo)值，當(dāng)輸出電壓到達(dá)給定電壓時(shí)，向CPU單元發(fā)出告知信號(hào)，CPU單元收到此信號(hào)后，將下一組波形數(shù)據(jù)送到執(zhí)行電路。以下對(duì)劑量控制器主要功能模塊進(jìn)行介紹。

束流積分電路用于測(cè)量給定時(shí)間內(nèi)束流離子的數(shù)量，其電路原理如圖6所示。主要包括束流信號(hào)輸入、積分控制信號(hào)、積分電壓基準(zhǔn)調(diào)節(jié)、積分信號(hào)零點(diǎn)漂移調(diào)節(jié)、積分電壓泄放和積分信號(hào)輸出電路等。當(dāng)積分控制信號(hào)為低電平時(shí)，選通束流輸入端，同時(shí)將積分泄放端懸空，啟動(dòng)束流積分功能。當(dāng)積分控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，電流積分結(jié)束，積分輸出可通過(guò)AD電路進(jìn)行讀取，同時(shí)泄放電路與地導(dǎo)通，積分電壓信號(hào)泄放，并且電路具有積分電壓基準(zhǔn)調(diào)節(jié)和零漂調(diào)節(jié)等功能[3、4]。

圖6 束流積分電路設(shè)計(jì)

4 劑量控制器程序設(shè)計(jì)

劑量控制器控制程要實(shí)現(xiàn)的功能有與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、波形數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)、波形數(shù)據(jù)上傳、控制掃描波形輸出和劑量值的標(biāo)定等。

程序采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先是通信接口定義，指令格式是：

[CommandID]：命令號(hào)，一個(gè)字節(jié)；

[DataParameters]：命令參數(shù)， 一個(gè)U8數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)組，不同的命令長(zhǎng)度不同；

[CRC校驗(yàn)碼]：校驗(yàn)碼，2個(gè)字節(jié)。

例如，命令字：“03” 寫(xiě)波形數(shù)據(jù)

命令參數(shù)：[0] 存儲(chǔ)起始地址高字節(jié)；

[1] 存儲(chǔ)起始地址低字節(jié)；

[2] 波形數(shù)據(jù)組數(shù)高字節(jié)；

[3] 波形數(shù)據(jù)組數(shù)低字節(jié)；

[4] 第1點(diǎn)位置高字節(jié)；

[5] 第1點(diǎn)位置低字節(jié)；

[6] 第1點(diǎn)斜率高字節(jié)；

[7] 第1點(diǎn)斜率低字節(jié)；

[8] 第2點(diǎn)位置高字節(jié)；

以此類(lèi)推。

離子注入機(jī)劑量控制器程序流程圖如圖7所示。

圖7 控制程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

該劑量控制器成功研制出了樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)的束流采集精度、波形輸出特性等主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果：束流測(cè)量紋波噪聲小于2mV；束流和劑量測(cè)量精度均小于0.5%；在環(huán)境溫度20±2℃條件下，4小時(shí)內(nèi)測(cè)量漂移≤±0.5%；掃描波形輸出功能正常，實(shí)測(cè)波形輸出，如圖8所示。

圖8 掃描波形輸出測(cè)量結(jié)果

通過(guò)波形數(shù)據(jù)構(gòu)造了一個(gè)“W”波形，其形狀和周期可通過(guò)修改波形數(shù)據(jù)和周期控制參數(shù)而改變。劑量采集功能正常，劑量測(cè)量結(jié)果如圖9所示，當(dāng)積分控制信號(hào)為低電平時(shí)，只要測(cè)量通道檢測(cè)到束流，就會(huì)對(duì)束流進(jìn)行積分，劑量積分信號(hào)累積升高；當(dāng)積分控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，劑量積分信號(hào)瞬間泄放到零電位。束流峰值捕捉功能正常等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此劑量控制器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并將其成功地應(yīng)用到離子注入機(jī)設(shè)備。

圖9 劑量積分輸出測(cè)量結(jié)果

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Designing of a Dose Controller for Ion Implanter

Dose controller is a very important apparatus for an implantation machine. The main functions of this dose controller is to accurately measure beam current and injection dose, control the ion beam horizontal movement in the electric field, and make the ion evenly distributed in the horizontal direction and synchronous vertical scanning movement complete ion injection of dose controlBased on these functional requirements, a high accurate and multifunctional and programmable control dose controller for implant is presented in this paper. Firstly, the theory and function of the control system are introduced. Second, the hardware architecture and the design of some functional modules, and their function realizations in this control system are described. The control system is composed of three main function modules, such as current and dose accurately measure module, Scan wave generation and control module, a position synchronized sign from vertically mechanical scanning move detect and control module. Finally, the experimental results show that the performance of the ion implanter dose controller meets the design requirements.

Ion implant; Dose control; Scan wave; Position synchronize

B

1003-0492(2016)10-0092-04

TP332.3

鐘新華（1975-），男，湖南衡南人，高級(jí)工程師，研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，主要從事工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)控制技術(shù)和工業(yè)智能化制造技術(shù)方面的工作。