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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)引束的調(diào)整時(shí)間，大大提高了自動(dòng)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(duì)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(shí)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(duì)給定動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。