基于STM32離子注入機(jī)劑量檢測控制器的設(shè)計

(長沙大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，長沙 410022)

0 引言

離子注入是半導(dǎo)體芯片制造的摻雜工藝，離子注入均勻性指標(biāo)是衡量注入工藝質(zhì)量的重要參數(shù)。離子注入機(jī)劑量均勻性控制技術(shù)是離子注入機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，必須采取基于各種控制與測量方法和裝置將離子按設(shè)定的劑量均勻、精確地注入到整個晶片表面[1]。

劑量檢測控制器的主要功能是精確采集離子束流劑量，并實(shí)時控制離子束掃描運(yùn)動，將離子按設(shè)定劑量均勻注入到晶片表面，它的控制性能的優(yōu)劣及可靠性，直接影響整機(jī)的技術(shù)性能及指標(biāo)[2-3]。

離子注入技術(shù)中，大面積均勻注入是必不可少的條件，直接將離子束靜態(tài)地注入到晶片表面是不行的，首先離子束橫截面的束流密度分布存在不均勻性，另外離子束能量集中于晶片表面的固定區(qū)域時，會引起晶片表面溫度過高，造成晶片損傷。因此，必須用離子束循環(huán)掃描的注入方式，使離子束重復(fù)均勻掃描晶片表面，以保證注入的均勻性[4]。

根據(jù)離子注入機(jī)的束斑形狀和注入掃描方式的不同，劑量測量與控制方式也不一樣，離子束有斑狀束和帶狀束，斑狀束須通過二維掃描運(yùn)動才能將離子植入到整個晶片表面，離子注入設(shè)備常用以下三種二維掃描方式。

1)電子式掃描：離子束進(jìn)行掃描，晶片固定，離子束通過一套加了特定電壓的水平掃描(X方向)和垂直掃描(Y方向)電極，使離子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)離子束在X-Y兩個方向上的來回掃描，使離子束能均勻地掃描整個晶片。由于電子式掃描簡單、有效，因此應(yīng)用廣泛[4]。

2)機(jī)械式掃描：固定離子束，晶片在旋轉(zhuǎn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)帶動下進(jìn)行機(jī)械掃描。

3)混合式掃描：離子束進(jìn)行水平方向電子掃描，晶片在直線電機(jī)的帶動下作與電子掃描垂直方向的運(yùn)動。

本文設(shè)計了一種適用于電子式掃描的離子注入機(jī)劑量控制器，經(jīng)測試表明，可以實(shí)現(xiàn)注入劑量的高精度檢測，使整塊晶片上的注入劑量均勻性得到控制，效果良好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本設(shè)計以STM32單片機(jī)作為主控芯片，由閉環(huán)法拉第杯、信號調(diào)理電路、精密電流/電壓(I/V)變換電路、峰值檢測電路、濾波電路、積分電路、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路、自校準(zhǔn)電流源電路、掃描波形發(fā)生電路、高壓電放大電路和液晶顯示電路組成，系統(tǒng)電路方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路方框圖

閉環(huán)法拉第杯用以捕獲進(jìn)入其中的所有電荷，測量注入晶片上的離子束流；信號調(diào)理電路將法拉第杯獲得的離子束流放大，多通道精密I/V變換電路將離子束流變換成0～10 V的電壓；積分電路用于測量給定時間內(nèi)注入的離子劑量，積分控制信號由微處理器輸出，當(dāng)離子束流到達(dá)閉環(huán)法拉第杯時，積分控制信號變?yōu)榈碗娖綍r，選通束流輸入端，觸發(fā)積分電路開始束流積分，當(dāng)束流掃過閉環(huán)法拉第杯后，積分控制信號變?yōu)楦唠娖?，束流積分結(jié)束，啟動A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷請求，微處理器讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，計算出離子束流電流值。峰值檢測電路完成一段時間內(nèi)束流峰值的檢測，主要用于選擇合適的測量檔位。濾波電路完成離子實(shí)時注入劑量檢測。微處理器根據(jù)這三種檢測結(jié)果，控制外部束流的輸出量，實(shí)現(xiàn)對離子注入劑量的精確控制。

掃描波形發(fā)生電路產(chǎn)生X軸和Y軸兩路掃描信號，經(jīng)過高壓放大電路輸出掃描電壓，實(shí)現(xiàn)離子束在X-Y兩個方向上的來回掃描，使離子束能均勻地掃描整個晶片。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊設(shè)計

主控模塊控制核心芯片選用基于ARM Cortex-M4的STM32F407，其主頻為168 MHz，具有片上1MB Flash、112KB SRAM，集成了單周期DSP 指令和FPU( floating point unit，浮點(diǎn)單元) ，提升了計算能力和代碼的執(zhí)行效率，內(nèi)部集成更加豐富的外設(shè)接口，自帶2個CAN控制器，支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B主動模式，波特率最高可達(dá)1 Mbit/s[5]，完全符合劑量控制器所需要的采集和運(yùn)算速度，它的主要任務(wù)是計算掃描電壓波形數(shù)據(jù)、運(yùn)行控制程序、通過串行通信口接收主控計算機(jī)指令和發(fā)送數(shù)據(jù)給主控計算機(jī)等，如圖2所示是主控制器硬件連接圖。

圖2 主控制器硬件連接圖

處理器外接16M的晶振，通過內(nèi)部PLL鎖相環(huán)倍頻到48M的系統(tǒng)工作頻率。PC6和PC7作為串口外部通信，其它主要的引腳功能如下：

PIC_LED：為處理器的運(yùn)行指示LED燈；

LD_MSLOPE：為X方向掃描斜率控制DAC加載控制信號；

PULSE_CONT：為脈沖基準(zhǔn)標(biāo)定信號控制引腳，控制基準(zhǔn)電路產(chǎn)生一個指定準(zhǔn)確脈沖的信號，通過積分電路進(jìn)行積分并測量，計算校準(zhǔn)，確保積分的準(zhǔn)確性。

BUSY：為系統(tǒng)忙信號輸出引腳，高電平時表示系統(tǒng)正忙；

3XBEAM：為0.5倍束流輸入信號，處理器通過快速檢測輸入束流信號選擇合適的輸入范圍；

DIRECTION：為掃描波方向控制輸出信號；

INTEGRATE：為ADC采集積分控制同步信號；

RD0-RD7：為DAC數(shù)據(jù)的低8位；

RD8-RB11：為DAC數(shù)據(jù)的高4位；

POS_EQUALS：為光纖通信輸入信號；

MATCH：為生成掃描信號極性檢測；

LD_POS：為點(diǎn)位置信號控制DAC數(shù)據(jù)加載信號輸出；

LD_SLOPE：為掃描信號生成斜率控制DAC加載信號輸出；

INTRPT：為外部中斷請求信號輸入；

MCLR：為外控制復(fù)位信號輸入；

SCLK，MOSI，MISO，SS0，SS1，SS2，SS3：為控制器電路板上其他各器件SPI通信引腳；

RX、TX：為串口通信引腳。

2.2 精密I/V變換電路設(shè)計

精密I/V變換電路原理圖如圖3所示，為了提高測量精度，分為6個檔位，分別是200 nA檔、2 uA檔、20 uA檔、200 uA檔、2 mA檔和20 mA檔，由一個精密高速運(yùn)算放大器OPA627，6個高速繼電器和6個不同阻值的萬分之一高精密電阻組成，由微處理器根據(jù)模擬通道中的輸入電流大小控制繼電器自動切換檔位，將輸入電流高速切換到6個不同阻值支路，控制輸出電壓的大小在一個合適的區(qū)域值，快速實(shí)現(xiàn)多檔位束流精確采集功能，圖中RV1和RV2為調(diào)零電位器。

圖3 精密I/V變換電路原理圖

2.3 峰值檢測電路設(shè)計

圖4是峰值檢測電路原理圖，主要檢測一段時間內(nèi)束流的峰值，用于合適的測量檔位選擇。由精密高速運(yùn)放OPA627、一個極低漏電流場效應(yīng)管Q1用作充電二極管、極低漏電流的精密電容CP1、放電電阻R15和模擬開關(guān)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而快速的檢測峰值電壓。每次檢測峰值電壓前，通過閉合模擬開關(guān)，將電容通過R15對地完成放電。

圖4 峰值檢測電路原理圖

2.4 積分電路設(shè)計

積分電路用于測量給定時間內(nèi)束流離子的劑量，其電路原理如圖5所示。主要包括束流信號輸入Vin、積分信號使能、積分放電控制和積分信號輸出電路等。當(dāng)積分信號使能端為低電平時，選通束流Vin輸入端，同時將積分放電端懸空，啟動束流積分功能。當(dāng)積分信號使能端變?yōu)楦唠娖綍r，束流積分結(jié)束，積分輸出電壓Vout可通過A/D電路進(jìn)行讀取，同時積分放電電路導(dǎo)通，積分電壓信號泄放。

圖5 積分電路原理圖

2.5 自校準(zhǔn)電流源電路設(shè)計

圖6自校準(zhǔn)精密電流源電路原理圖，由精密基準(zhǔn)電壓芯片REF102BP，4個萬分之一的高精密電阻、精密運(yùn)放OPA627，模擬開關(guān)和繼電器構(gòu)成。REF102是高精度10 V電壓基準(zhǔn)集成電路芯片，其溫漂在工業(yè)溫度范圍內(nèi)低至2.5 ppm/ C，具有功耗低、升溫快、穩(wěn)定性好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)[6]。REF102的輸出電壓幾乎不隨供電電源電壓及負(fù)載變化，通過調(diào)整外接電阻，輸出電壓的穩(wěn)定性及溫度漂移可降到最小。圖中REF102BP產(chǎn)生10 V的基準(zhǔn)電壓，通過R17和R18分壓后經(jīng)OPA627緩沖后獲得9.000 V的基準(zhǔn)電壓，模擬開關(guān)控制基準(zhǔn)輸出產(chǎn)生準(zhǔn)確的脈沖信號。微處理器控制繼電器的切換，實(shí)現(xiàn)注入離子束流自檢和自校準(zhǔn)。

圖6 自校準(zhǔn)精密電流源電路原理圖

2.6 A/D采集電路設(shè)計

本設(shè)計要求快速準(zhǔn)確采集各路模擬信號，不需要連續(xù)采集，只需要采集瞬間值，如峰值檢測電路，在一個掃描周期內(nèi)，需要準(zhǔn)確采集在充電電容放電前的最大值。在一個掃描周期內(nèi)進(jìn)行劑量積分檢測時，積分壓值代表了束流的大小，快速準(zhǔn)確采集積分電壓很重要。

A/D轉(zhuǎn)換電路連接電路如圖7示，AD977ABN為ADI公司的16位、200 kSPS的A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有最大無極性0～10 V，有極性±10 V的輸入范圍和其它可選的小范圍輸入配置[7]，本設(shè)計配置成0～10 V輸入范圍。AD977ABN具有高達(dá)96 dB的動態(tài)范圍，同時自帶2.500 V精度基準(zhǔn)，很適合在本設(shè)計中寬范圍輸入應(yīng)用。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路連接電路圖

圖中Ain1為0～10 V的輸入信號，前級通過模擬開關(guān)將不同的信號切換輸入；

SPI_CLK為MCU讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時鐘輸入信號；

ADC_DATA為MCU讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸出信號；

INTEGRATE為轉(zhuǎn)換觸發(fā)輸入信號；

TRIG為轉(zhuǎn)換中忙信號，低電平表示忙，轉(zhuǎn)換中，高電平表示轉(zhuǎn)換完成，此時可觸發(fā)下一次轉(zhuǎn)換。

2.7 掃描波形發(fā)生電路

波形發(fā)生電路由微處理器、FPGA、即X/Y向兩路高速DAC轉(zhuǎn)換電路、兩路濾波電路、兩路緩沖放大電路和高壓放大電路組成，包含X向掃描發(fā)生器和Y向掃描發(fā)生器，經(jīng)離子束的初始軌跡注入在晶片的中心位置處，波形發(fā)生器產(chǎn)生X/Y向二維掃描，同步控制離子束偏離初始軌跡，使之打在晶片的其它區(qū)域，從而在晶片的整個表面上均勻注入離子。

微處理器接收主控計算機(jī)的控制命令，完成與主控機(jī)的數(shù)據(jù)通信、鍵盤等外部接口電路的設(shè)計，對FPGA進(jìn)行操作，完成控制波形電壓數(shù)據(jù)的更新。FPGA采用Cyclone III的EP3C16Q240C8N，利用其內(nèi)部的RAM存儲波形數(shù)據(jù)，每一點(diǎn)波形數(shù)據(jù)由4個字節(jié)組成，其中有兩個字節(jié)為電壓值，另外兩個字節(jié)為此點(diǎn)電壓對應(yīng)的斜率值，由X/Y向校準(zhǔn)算法修正各點(diǎn)的掃描電壓斜率值，實(shí)現(xiàn)掃描速度隨著水平方向各位置點(diǎn)對應(yīng)的束流大小成比例調(diào)節(jié)，保證每次掃描注入離子在水平向分布的均勻性。掃描波形輸出通過程序控制，當(dāng)啟動波形輸出時，F(xiàn)PGA會從RAM中實(shí)時地讀出電壓坐標(biāo)和斜率坐標(biāo)送到高速DAC、轉(zhuǎn)換電壓送入濾波電路濾掉高頻噪聲，經(jīng)過緩沖放大電路后、再經(jīng)過高壓放大電路產(chǎn)生給定的斜率輸出掃描電壓，當(dāng)輸出電壓到達(dá)給定電壓時，向微處理器發(fā)出信號，微處理器告之FPGA將下一組波形數(shù)據(jù)送到上述執(zhí)行電路。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

劑量檢測控制器主要完成檢測離子束流、計量晶片注入劑量、掃描電壓波形控制、束流輸出控制，主控計算機(jī)與劑量控制器實(shí)時數(shù)據(jù)交互，并負(fù)責(zé)整機(jī)的全自動控制，數(shù)據(jù)顯示與處理。系統(tǒng)控制程序需要處理的數(shù)據(jù)量大，控制點(diǎn)多，控制過程復(fù)雜，采用分層結(jié)構(gòu)化的框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高軟件的編寫效率，降低復(fù)雜度，同時提高軟件系統(tǒng)的健壯性、可讀性和可維護(hù)性。

3.1 主功能程序

根據(jù)系統(tǒng)控制和時序要求，構(gòu)建一個如圖8所示的主框架程序。主框架程序在系統(tǒng)初始化完后，循環(huán)調(diào)用1 ms周期用戶程序，10 ms周期用戶程序，100 ms周期用戶程序和劑量檢測、計算、顯示和控制等其它功能程序。

圖8 主框架程序工作進(jìn)程流程

3.2 中斷程序設(shè)計

系統(tǒng)中斷程序分為外部中斷，串口通信中斷，100 μs定時中斷，1 ms定時中斷和10 ms定時中斷，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求在中斷程序中調(diào)用相應(yīng)的功能模塊。外部中斷為A/D采集電路在數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換完成后，通知微處理器讀取數(shù)據(jù)。

100 μs中斷具有最高優(yōu)先級，用于定時要求嚴(yán)格的功能模塊，如產(chǎn)生精確的AD采集觸發(fā)脈沖，從時間上保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1 ms中斷具有第二優(yōu)先級，用于控制波形輸出的幅度，通信協(xié)議定時和定時計數(shù)等。

串口通信中斷程序僅進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的發(fā)送，協(xié)議處理在主框架程序內(nèi)調(diào)用處理完成。

10 ms中斷用于處理輸入輸出掃描，輔助功能處理，如長時間定時計數(shù)。

3.3 通信程序設(shè)計

本控制器集成了Modbus通信協(xié)議，方便與主控計算機(jī)和工業(yè)HMI(Human Machine Interface)人機(jī)界面接口通信。通信協(xié)議包含串口初始化函數(shù)，收發(fā)中斷函數(shù)，接收數(shù)據(jù)協(xié)議處理函數(shù)和協(xié)議時間處理函數(shù)等多個功能程序。

串口接收產(chǎn)生接收中斷后，清除中斷標(biāo)志，調(diào)用數(shù)據(jù)讀取處理程序，然后更新協(xié)議時間，最后退出中斷，直到下一次中斷進(jìn)入。串口發(fā)送產(chǎn)生發(fā)送空中斷后，清除中斷標(biāo)志，立即準(zhǔn)備下一個數(shù)據(jù)發(fā)的發(fā)送，如果發(fā)送完成，則關(guān)閉中斷，不發(fā)送數(shù)據(jù)退出，直到下一次觸發(fā)中斷發(fā)送數(shù)據(jù)。

Modbus的數(shù)據(jù)通信結(jié)束是基于協(xié)議時間來判別的，當(dāng)大于3個字節(jié)通信時間內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)表示通信完成，協(xié)議時間清零，關(guān)接收中斷，置位接收完成標(biāo)志?？紤]到通信協(xié)議處理不需要過高的響應(yīng)時間，響應(yīng)時間為幾個毫秒，同時協(xié)議處理時間在300 μs以內(nèi)，將協(xié)議處理程序放入用戶1 ms周期內(nèi)調(diào)用，不影響通信響應(yīng)的同時只占用較的CPU處理時間。

3.4 注入劑量控制程序設(shè)計

在電子式掃描中，離子束的高速掃描可以產(chǎn)生足夠多的重復(fù)圖形，使不完整圖形帶來的不均勻性限制在所希望的范圍內(nèi)[5]。因此，電子式掃描在滿足線性要求的條件下，一般只監(jiān)控注入劑量，就可以達(dá)到要求的均勻性。劑量控制器是整個系統(tǒng)的指揮和協(xié)調(diào)中心，主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)定的離子注入劑量計算出掃描次數(shù)，在注入過程中，實(shí)時采集掃描過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，對劑量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，控制每次掃描波形周期，注入劑量等于設(shè)定值，就會自動關(guān)閉束閘，停止注入。程序流程如圖9所示。

圖9 注入劑量控制程序流程圖

4 測試結(jié)果

該劑量檢測控制器成功研制出了樣機(jī)，并對樣機(jī)的束流采集精度、溫度漂移范圍、繼電器換檔切換時間等主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測試。控制器實(shí)現(xiàn)了大范圍束流的快速量程切換，量程切換時間達(dá)到1 ms；束流測量精度小于0.4%，最小量程低至2 μA；測量漂移精度小于0.3%。用自校準(zhǔn)電流源模擬注入晶片的離子束流，束流精度和溫度漂移測試結(jié)果分別如表1、表2。

表1 束流精度測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于STM32單片機(jī)的離子注入機(jī)劑量檢測控制器，介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬軟件設(shè)計過程。該控制器首先通過主控制計算機(jī)設(shè)置晶片需要注入的離子劑量，利用法拉杯測量注入的離子束流，通過電流/電壓變換電路、劑量積分電路、峰值檢測電路和微處理器測量實(shí)時計算注入的離子劑量值，通過波形發(fā)生電路產(chǎn)生X/Y向二維電掃描，改變X軸和Y軸的掃描電場，控制離子束作二維運(yùn)動，將離子束按設(shè)定的劑量值，均勻注射離子到晶片表面。測試結(jié)果表明：該控制器功能實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

表2 溫度漂移測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)