鐘新華，彭立波，易文杰（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

離子注入機劑量控制器設(shè)計

鐘新華，彭立波，易文杰（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

劑量控制器是離子注入機的核心部件，主要功能有精確測量離子注入機束流與注入劑量，控制離子束在電場中水平運動，并使離子均勻地分布在水平方向和同步垂直掃描運動完成離子注入的劑量控制?；谶@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劑量控制器。首先介紹了離子注入機劑量控制器工作原理和功能，然后，詳細地闡述劑量控制器的系統(tǒng)構(gòu)成和各功能模塊設(shè)計及功能實現(xiàn)。此控制器按功能主要分為多通道、多級量程的高精度束流與劑量測量模塊、掃描波形控制模塊、垂直掃描同步信號檢測與控制模塊等。最后，通過實驗驗證了此離子注入機劑量控制器的性能達到設(shè)計要求。

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行電離，并使其離子在電場中加速，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)百個元件）、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模，到今天已進入特大規(guī)模（千萬以上個元件）的時代。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)過幾年的時間，100納米、65納米、32納米、28納米的工藝也陸續(xù)進入生產(chǎn)；同時受到經(jīng)濟利益的驅(qū)動，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，對晶片摻雜劑量的準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量與控制器是保障注入劑量的準確性和注入劑量的均勻性關(guān)鍵部件。

離子注入機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的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是精確實時地采集離子量，并控制離子在電場中移動，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，離子注入機有斑狀束和帶狀束，目前，大部分機型都是斑狀束，只有低能大束流離子注入機采用的帶狀束。斑狀束須通過二維掃描運動才能將離子植入到整個晶片表面，帶狀束只需通過一維機械掃描運動就能完成注入功能。而斑狀束的二維掃描運動又可分為二維電掃描方式、二維機械掃描方式和電掃描與機械掃描相結(jié)合方式。其中，電掃描方式工作原理是在晶片注入時晶片保持固定，改變X、Y軸的掃描電場，控制離子束在掃描電場中作二維運動，將離子束均勻地注入到晶片表面。這種掃描方式的優(yōu)點是離子注入機靶室機械結(jié)構(gòu)簡單，缺點是光路相對復(fù)雜，不能滿足束平行注入，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。機械掃描方式是注入時離子束保持固定，控制晶片作二維機械運動達到將離子束均勻地注入到晶片表面。此掃描方式的優(yōu)點是適合大尺寸晶片或多片晶片同時注入，缺點是運動機構(gòu)和運動控制復(fù)雜以及注入均勻性差等。電掃描與機械掃描相結(jié)合方式的特點是離子注入時水平方向采用電掃描，垂直方向采用機械運動掃描，這種掃描方式既避開了前兩種方式的缺點，又繼承了它們的優(yōu)點，是一種較為理想的離子注入機掃描方法。目前市場流行的離子注入機機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械掃描相結(jié)合方式的離子注入機劑量控制器。

2 劑量控制器工作原理

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

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），通過校準算法修正各點的掃描電壓斜率值，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到掃描發(fā)生器的RAM中，在執(zhí)行掃描的過程中，掃描發(fā)生器從RAM中實時地讀出這些數(shù)值來產(chǎn)生電壓波形（如圖2所示）。這樣實現(xiàn)了水平方向掃描速度隨著水平方向各位置點對應(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

晶片注入是通過束在水平方向的掃描運動和晶片垂直方向的掃描運動共同完成的，水平和垂直掃描運動不是獨立工作的，而是需要同步進行。兩者之間的同步方式如下：垂直機械掃描每當(dāng)運動一個等距離ΔS，向離子注入機劑量控制器發(fā)出一個觸發(fā)脈沖，即位置同步信號。離子注入機劑量控制器檢測到此觸發(fā)信號，上升沿有效，輸出一個“W”型掃描波形。并且，每個“W”型掃描波形控制一個劑量積分信號的產(chǎn)生，積分信號寬度（低電平有效）可在掃描波形數(shù)據(jù)中進行設(shè)定。三個信號時序關(guān)系如圖3所示。

圖3 劑量控制時序圖

垂直方向機械掃描運動每移動一個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

離子注入機劑量控制器是一個專用的計算機控制系統(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，主要功能存儲掃描波形數(shù)據(jù)、運行控制程序、接收外部指令及垂直機械掃描同步信號和統(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，實現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交互。信號調(diào)理電路主要功能是將法拉第杯獲得的束流信號通過調(diào)理放大為0～10VDC電壓信號，測量范圍為0～20mA。為了提高測量精度，全程分為五個檔位，分別是2uA、20uA、200uA、2mA和20mA檔。測量精度非常高，其中，微安和毫安信號測量精度〈0.5%，納安信號測量精度〈1.0%。CPU單元通過片選信號與通道程控開關(guān)、檔位程控開關(guān)和束流/劑量程控開關(guān)相連，程控開關(guān)采用固態(tài)繼電器組實現(xiàn)，控制法拉第杯通道選擇、合適檔位選擇和采集目標的選擇。劑量積分電路主要用于測量一段時間內(nèi)法拉第杯采集的電荷量?s。束流峰值檢測電路用于檢測一段時間內(nèi)束流的峰值，束流峰值主要用于合適的測量檔位的選擇。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)為此點電壓對應(yīng)的斜率值。掃描波形輸出通過程序控制，當(dāng)啟動波形輸出時，CPU單元會逐個地將電壓坐標和斜率坐標送到波形輸出執(zhí)行電路，執(zhí)行電路按給定的斜率輸出掃描電壓，并同時比較實際輸出電壓與給定是電壓坐標值，當(dāng)輸出電壓到達給定電壓時，向CPU單元發(fā)出告知信號，CPU單元收到此信號后，將下一組波形數(shù)據(jù)送到執(zhí)行電路。以下對劑量控制器主要功能模塊進行介紹。

束流積分電路用于測量給定時間內(nèi)束流離子的數(shù)量，其電路原理如圖6所示。主要包括束流信號輸入、積分控制信號、積分電壓基準調(diào)節(jié)、積分信號零點漂移調(diào)節(jié)、積分電壓泄放和積分信號輸出電路等。當(dāng)積分控制信號為低電平時，選通束流輸入端，同時將積分泄放端懸空，啟動束流積分功能。當(dāng)積分控制信號變?yōu)楦唠娖綍r，電流積分結(jié)束，積分輸出可通過AD電路進行讀取，同時泄放電路與地導(dǎo)通，積分電壓信號泄放，并且電路具有積分電壓基準調(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

4 劑量控制器程序設(shè)計

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

程序采用匯編語言進行設(shè)計。首先是通信接口定義，指令格式是：

[CommandID]：命令號，一個字節(jié)；

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

[CRC校驗碼]：校驗碼，2個字節(jié)。

例如，命令字：“03” 寫波形數(shù)據(jù)

命令參數(shù)：[0] 存儲起始地址高字節(jié)；

[1] 存儲起始地址低字節(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點位置高字節(jié)；

[5] 第1點位置低字節(jié)；

[6] 第1點斜率高字節(jié)；

[7] 第1點斜率低字節(jié)；

[8] 第2點位置高字節(jié)；

以此類推。

離子注入機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 實驗與結(jié)論

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

圖8 掃描波形輸出測量結(jié)果

通過波形數(shù)據(jù)構(gòu)造了一個“W”波形，其形狀和周期可通過修改波形數(shù)據(jù)和周期控制參數(shù)而改變。劑量采集功能正常，劑量測量結(jié)果如圖9所示，當(dāng)積分控制信號為低電平時，只要測量通道檢測到束流，就會對束流進行積分，劑量積分信號累積升高；當(dāng)積分控制信號變?yōu)楦唠娖剑瑒┝糠e分信號瞬間泄放到零電位。束流峰值捕捉功能正常等。實驗驗證此劑量控制器達到了設(shè)計要求，并將其成功地應(yīng)用到離子注入機設(shè)備。

圖9 劑量積分輸出測量結(jié)果

[1] D Sing, Michael Rendon. Implant process control∶ Going beyond particles and RS [J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B-beam Interactions With Materials and Atoms, 2005, (237)∶ 318 - 323.

[2] Sano, Makoto, Yamada. Accurate Dose Control with Pressure Compensation System On Single - Wafer Ion implants [C]. Ion Implantation Technology∶ 17th international Conference, 2008 (6) ∶ 141 - 144.

[3] 陳淑芳. 一種高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號調(diào)理電路的設(shè)計[J]. 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報, 2008 (3) ∶ 66 - 69.

[4] 劉曉東, 施艷艷, 李淑波. 開關(guān)線性復(fù)合式功率放大器波形發(fā)生電路設(shè)計[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2007 (9) ∶ 48 - 51.

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，高級工程師，研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第四十八研究所，主要從事工業(yè)設(shè)備的自動控制技術(shù)和工業(yè)智能化制造技術(shù)方面的工作。