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        離子注入機(jī)分析器模型的自動調(diào)束控制方法

        2021-04-26 02:42:10鐘新華楊亞兵
        電子工業(yè)專用設(shè)備 2021年2期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量數(shù)分析器離子注入

        孫 勇,鐘新華,楊亞兵

        (1. 中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所, 湖南 長沙410205;2. 北京爍科中科信電子裝備有限公司, 北京101111)

        近幾年隨著我國集成電路制造的高速發(fā)展,用戶對集成電路生產(chǎn)設(shè)備離子注入機(jī)的精度、重復(fù)性、穩(wěn)定性、產(chǎn)能和自動化等要求也越來越高。為適應(yīng)市場要求,本文提出了一種基于離子注入機(jī)分析器模型的自動引束控制方法。此方法是通過獲得離子注入機(jī)分析器精確模型,減少自動引束的調(diào)整時(shí)間,大大提高了自動引束的效率和成功率,從而提高了離子注入機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。

        這種方法采用霍爾探頭(Hall Probe)來測量質(zhì)量分析器的實(shí)際磁場。為了保證測量的準(zhǔn)確性,利用離子注入機(jī)光路理論模型對霍爾探頭進(jìn)行校準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此測量方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。采用在線辨識方法獲取質(zhì)量分析器的實(shí)際模型,用于控制器的前饋控制,提高了離子注機(jī)分析的調(diào)節(jié)控制效率和穩(wěn)定性。

        1 原理

        離子注入機(jī)通過離子束加速器、質(zhì)量分析器、平行透鏡等光路部件將符合設(shè)定質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)和能量的離子注入到晶片表面。其中質(zhì)量分析是將同一能量的不同質(zhì)量數(shù)的離子束經(jīng)過一個(gè)特定的磁場、將符合質(zhì)量數(shù)要求的離子分離出來。離子注入機(jī)的光路如圖1 所示,對給定動能、質(zhì)量數(shù)m和電荷數(shù)q的離子,其曲率半徑r是特定的,是由磁場大小決定的。通過調(diào)整分析器的磁場大小,使之產(chǎn)生與機(jī)器光路幾何形狀相匹配的離子曲率半徑,才能保證給定的動能、質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)的離子通過光路狹縫。

        根據(jù)洛倫茲力定律,離子在磁場中的運(yùn)動軌跡計(jì)算公式為:

        式(1)中,B為磁場強(qiáng)度,r為曲率半徑,v為離子運(yùn)動速度,m為離子質(zhì)量,q為電荷數(shù),e為電荷常數(shù)(1.6×10-19C)。

        在不考慮熱損耗的條件下,根據(jù)能量守恒定律可得:

        其中,U為加速電壓,單位為V。

        由式(1)、(2)得:

        其中,E=qU,為注入能量,單位eV,m為離子的質(zhì)量數(shù)。將磁剛度R代入公式3 可得:

        由式(4) 可以得出磁場強(qiáng)度與離子的磁剛度是理想的一次線性關(guān)系。

        圖1 離子注入機(jī)光路示意圖

        2 磁場測量與校準(zhǔn)

        由于Hall Probe 輸出電壓受磁場強(qiáng)度B、安裝位置和DC 電壓漂移等因素影響,因此需要通過Analyzer 理論模型(公式4)對磁場測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)方法為:

        式(5)中,B為磁場強(qiáng)度,VHP為Hall Probe 的電壓,k為系數(shù),c為截距。

        系數(shù)k和截矩c通過幾組不同的Beam 和最小二乘法求得。VHP對應(yīng)的磁場強(qiáng)度可由公式B=求得,其中R為磁剛度,r為轉(zhuǎn)變半徑。

        3 分析器模型校準(zhǔn)

        由于分析器的實(shí)際磁場模型與理論模型存在差別,為了能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制,需要對分析器實(shí)際模型進(jìn)行修正,采用二次模型進(jìn)行修正,即:

        式(6)為離子剛度R與Hall Probe 測量的磁場強(qiáng)度B 的關(guān)系式,用于分析器控制器的反饋控制。

        為提升控制器的調(diào)節(jié)速度,減少自動調(diào)束(Auto Tune Beam)耗時(shí),提高設(shè)備的生產(chǎn)效率,建立了分析器磁場B 和分析器線包電流I 的關(guān)系統(tǒng)模型:

        由式(7) 可以提前預(yù)測磁場線包所需的控制電流,模型用于分析器控制器的前饋控制。

        校準(zhǔn)過程中要遵守磁剛度R 從小到大的原則,磁場電流從零增加到目標(biāo)值的方向設(shè)置,這樣盡可能避免磁鐵的磁滯效應(yīng)的影響[1]。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        首先對Hall Probe 校準(zhǔn)模型公式(5)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)獲取,實(shí)驗(yàn)方法是在CIP900 型離子注入機(jī)上、通過不同能量、不同元素的離子束獲取最優(yōu)數(shù)據(jù),并進(jìn)行最小二乘擬合,圖2 為Hall Probe校準(zhǔn)模型的擬合結(jié)果,相關(guān)系數(shù)優(yōu)于R2=0.9993。

        圖2 Hall Probe 校準(zhǔn)模型擬合結(jié)果

        以同樣的實(shí)驗(yàn)方法對公式(6)和公式(7)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

        圖3 磁場B 與磁剛度R 的擬合結(jié)果

        圖4 分析器電流與磁場的擬合結(jié)果

        通過建立可靠的Hall Probe 校準(zhǔn)方法,可以精確測量出分析器的真實(shí)磁場強(qiáng)度,以免被其它干擾。利用模型公式(6)和模型公式(7),在束流能量、質(zhì)量數(shù)和電荷量已知的情況下,就能快速預(yù)先計(jì)算出分析器電流,從而避免了通過找束流峰值的方法來確定正確的磁鐵設(shè)置值,減少了分析器調(diào)節(jié)時(shí)間,提高了設(shè)備自動調(diào)束的效率和成功率。該方法在ZKX CIP 300 型離子注入機(jī)進(jìn)行了測試,自動調(diào)束時(shí)間縮短了1 min 以上[2]。

        5 結(jié)論

        利用霍爾探頭實(shí)時(shí)測量分析器的磁場并反饋給分析器控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,這種方法應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)的中束流離子注入機(jī)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)測試,結(jié)果表明,該方法與傳統(tǒng)的找峰值自動調(diào)束方法相比,無論是調(diào)節(jié)效率,還是穩(wěn)定性都有較大的提高。

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