蔡先武，钟新华

(湖南红太阳光电科技有限公司，湖南长沙410205)

高温高能特种离子注入机具备高能量范围、基片高温等特点，应用广泛，主要用于碳化硅器件制造中实现掺杂工艺、材料改性和核技术研究等领域。

高温高能特种离子注入机光路采用分析后再加速，扫描后进行束角度校准的方案，垂直方向采用一维机械扫描。靶台有红外加热功能。因此，高温高能特种离子注入机靶室控制系统主要功能有离子束流和剂量精确测量、离子束一维电扫描控制、靶台一维机械扫描运动控制、注入剂量及均匀性和注入能量控制和靶台温度精确控制等，是高温高能特种离子注入机的核心部件。其主要的技术指标有束流与剂量的测量精度、注入剂量的精确性及分布的均匀性、基片温度及温度分布的精确性等。

1 靶室控制系统设计

根据高温高能特种离子注入机靶室的功能需求设计的靶室控制系统主要由嵌入式实时控制器、剂量控制器、温度控制器、扫描电机、法拉第电机、旋转电机和扫描电源等组成，如图1所示。

图1 靶室控制系统构成

对主控制器的FPGA模块实现的主要功能进行详细的介绍。FPGA模块主要实现了一个通用SPI接口及3个中断信号的采集，如图2所示。其中SPI接口提供4路片选信号cs0～cs3，时钟频率能设置为以下几种档位：100 kHz、200 kHz、500 kHz、1 000 kHz和2 000 kHz，SPI接口有4种工作模式，可通过2 bit控制位来选择。3个中断信号中，IRQ1为剂量控制器向实时控制器申请SPI通信中断，此中断信号为一个约为1.5 μs宽的低电平信号；IRQ2为剂量控制器束流采集A/D转换完成中断，此中断为一个约为4 μs宽的高电平信号；IRQ3为一个周期性的脉冲信号，上升沿触发，是由垂直扫描同步板产生，用于运动控制器、剂量控制器和实时测量与控制器间的同步控制。

2 剂量控制器设计

剂量控制器是靶室控制系统的关键部件，其主要功能是精确实时地采集离子数量，并控制离子束在电场中作一维运动，通过调节各位置点的扫描速度达到将离子按设定剂量、均匀地、精确地植入到晶片上。适合于电扫描与机械扫描相结合方式的离子注入机剂量控制器主要由以下部分组成：扫描波形数据存储与扫描波形输出、束流与剂量精密采集、垂直方向扫描位置同步检测与剂量实时控制等。

水平扫描波形发生器工作原理是根据束流在水平方向的分布，通过校准算法修正各点的扫描电压斜率值，使得束流在水平方向分布均匀，并把这些扫描电压斜率值存储到扫描发生器的RAM中，在执行扫描的过程中，扫描发生器从RAM中实时地读出这些数值来产生电压波形，如图2所示。这样实现了水平方向扫描速度随着水平方向各位置点对应的束流大小成比例调节，从而保证了每次扫描注入离子在水平向分布的均匀性。

图2 电扫描方向束流分布均匀性校准

晶片注入是通过束在水平方向的扫描运动和晶片垂直方向的扫描运动共同完成，水平和垂直扫描运动不是独立工作，而是需要同步进行。两者之间的同步方式为：垂直机械扫描每当运动一个等距离ΔS，向离子注入机剂量控制器发出一个触发脉冲，即位置同步信号。离子注入机剂量控制器检测到此触发信号，上升沿有效，输出一个“W”型扫描波形。并且，每个“W”型扫描波形控制一个剂量积分信号的产生，积分信号宽度（低电平有效）可在扫描波形数据中进行设定。

重直方向机械扫描运动每移动一个ΔS，离子束斑在水平方向完成4次往复扫描，并完成1次剂量Q采集。即单次注入离子密度为D=Q/(ΔS×W)，其中W为法拉第杯开口宽度，注入扫描原理见图3所示[1，2]。

剂量控制器有波形数据寄存区，用来存放水平扫描波形数据，每一点波形数据由4个字节组成，其中有两个字节为电压值，另外两个字节为此点电压对应的斜率值。注入剂量是束流对时间的积分，由积分电路完成，而积分时间的控制是由扫描波形数据中某一位决定，即束在扫描的过程中，当离子束快要到达闭环法拉第杯时，将此位置0，触发积分电路开始电流积分，当束扫过闭环法拉第后，将此位置1，结束束流积分，同时启动AD转换，AD转换完成后产生中断IRQ2。

图3 扫描示意图

离子注入机剂量控制器是一个专用的计算机控制系统，由CPU单元和一些特殊功能电路组成。主要包括CPU单元、通信接口、波形发生电路、信号调理与放大电路、峰值捕捉电路、剂量积分电路、通道选择电路、档位选择电路和模数转换电路等。其硬件结构如图4所示。

所述CPU单元采用16位单片机，主要功能存储扫描波形数据、运行控制程序、接收外部指令及垂直机械扫描同步信号和统一指挥协调其它功能模块工作等。通信接口采用通用的串口通信口（SPI），工作于从属模式，实现与外部数据的交互。信号调理电路主要功能是将法拉第杯获得的束流信号通过调理放大为0～10 V DC电压信号，测量范围为0～20 mA。为了提高测量精度，全程分为5个档位，分别是2 μA、20 μA、200 μA、2 mA和20 mA档。5个档位后可选择对信号进行4种放大倍数，即：1倍、2倍、4倍和8倍。测量精度非常高，其中，微安和毫安级信号测量精度＜0.5%，纳安级信号测量精度＜1.0%。CPU单元通过片选信号与通道程控开关、档位程控开关和束流/剂量程控开关相连，程控开关采用固态继电器组实现，控制法拉第杯通道选择、合适档位选择和采集目标的选择。剂量积分电路主要用于测量一段时间内法拉第杯采集的电荷量Q=∫Idt，即为注入的离子电荷量，积分时间由CPU单元精确控制输出，时间控制精度达到0.2 μs。束流峰值检测电路用于检测一段时间内束流的峰值，束流峰值主要用于快速地找到合适的测量档位和放大倍数。波形发生器的波形数据寄存在CPU单片的RAM中，每一点波形数据由4个字节组成，其中有两个字节为电压值，另外两个字节为此点电压对应的斜率值。扫描波形输出通过程序控制，当启动波形输出时，CPU单元会逐个地将电压坐标和斜率坐标送到波形输出执行电路，执行电路按给定的斜率输出扫描电压，并同时比较实际输出电压与给定电压坐标值，当输出电压到达给定电压时，向CPU单元发出告知信号，CPU单元收到此信号后，将下一组波形数据送到执行电路。以下对剂量控制器主要功能模块进行介绍。

束流积分电路用于测量给定时间内束流离子的数量。主要包括束流信号输入、积分控制信号、积分电压基准调节、积分信号零点漂移调节、积分电压泄放和积分信号输出电路等。当积分控制信号为低电平时，选通束流输入端，同时将积分泄放端悬空，启动束流积分功能。当积分控制信号变为高电平时，电流积分结束，积分输出可通过AD电路进行读取，同时泄放电路与地导通，积分电压信号泄放，并且电路具有积分电压基准调节和零漂调节等功能[3，4]。

图4 剂量控制器电路原理

3 靶室控制系统软件设计

高温高能特种离子注入机靶室控制系统软件采用LabVIEW软件开发平台，包括LabVIEW FPGA模块、LabVIEW RT模块和Ni SoftMotion模块。软件系统采用分层结构，最上层主要实现TCP/IP通信、命令解释、逻辑控制和报警及故障处理功能；中间层包含5个功能模块；底层实现了基于FPGA定制的SPI接口和硬中断采集等功能。离子注入机靶室控制软件体系结构如图5所示。

图5 靶室控制系统软件架框图

高温高能特种离子注入机靶室控制系统是离子注入机控制系统中的一个子系统，没有自己独立的用户操作界面，通过网络与主控制计算机相连，由主控制计算机向靶室控制系统发送控制命令，靶室控制系统接收到命令后通过命令解释向各功能模块发送执行命令，实现控制功能。通信控制流程如图6所示。

4 靶室控制系统功能测试

4.1 扫描波形与剂量采集功能检测

首先，对上述的高温高能特种离子注入机靶室控制系统的扫描波形与剂量采集功能进行实验，通过波形数据构造了一个“W”波形，其形状和周期可通过修改波形数据和周期控制参数而改变。剂量采集功能正常，剂量测量结果如图7所示，当积分控制信号为低电平时，只要测量通道检测到束流，就会对束流进行积分，剂量积分信号累积升高；当积分控制信号变为高电平，剂量积分信号瞬间泄放到零电位。实验验证靶室控制系统此项正常达到了设计要求。

图6 通信接口控制流程图

图7 扫描波形与剂量采集功能检测结果

4.2 束剖面检测

通靶室控制系统控制移动法拉第杯作匀速运动，并且每移动一个等距离产生一次脉冲同步信号，每个同步信号触发剂量控制器实时采集一次通过移动法拉第杯的束流，并将每次采集的束流值发送给上位机，上位机可通过这些数据画出束剖面图，计算出总束流大小、束宽、束中心坐标和束流积分中值坐标等。总束流计算公式I=（D/W）·∑i，其中D为移动法拉第杯移动步长，W为移动法拉第杯开口宽度，i为移动法拉第杯单次采集的束流值。实际测量结果如图8所示，实验验证了该项功能达到了设计要求。

图8 束剖面检测结果

4.3 束角度与平行度检测

平行度检测是束在扫描的状态下，测量各位置处的束线与靶台中垂线的夹角及角度差。

检测步骤：

(1)将剂量控制器置于扫描模式，扫描频率大于1 kHz；

(2)运动移动法拉第杯，在移动法拉第杯运动的前半程选择角度杯2进行束流采样，在移动法拉第杯运动的后半程选择角度杯1进行束流采样，移动法拉第杯每运动一等距离便向剂量控制器触发束流采样信号；

(3)靶室控制系统根椐剂量控制器采集的数据计算出角度杯2和角度杯1的测量位置，见图11中两个凹陷的中心点位置，根据图10可进一步计算出束在角度杯1处的角度θ1=tan-1(Δs1/H)和束在角度杯2处的角度θ2=tan-1(Δs2/H)，两个角度差Δθ=θ2-θ1，即为衡量束平行度指标；

(4)如果角度差没有满足指标，需要调节平行透镜后，重新进行平行度检测，直到达到指标。

束角度与平行度检测功能实验结果如图9所示，达到设计要求。

4.4 束水平均匀性检测与校准

水平均匀性校准是通过测量束在水平方向各位置处的束流分布来修正扫描波形斜率值从而达到水平方向的束流分布均匀。

图9 束角度与平行度检测结果

检测与校准步骤：

(1)通离子注入机主控系统向靶室控制系统下载一个理想的“W”波形，各点的斜率值均为K0，置剂量控制器于扫描状态下，扫描频率大于1 kHz。

(2)运动移动法拉第杯，移动法拉第杯每运动一等距离便向剂量控制器触发束流采样信号，剂量控制器采集束流并将束流值和移动法拉第的位置值传送给主控系统，主控系统根据获得的数据可以直观地画出束流水平方向的分布图(见图10所示)，并且根据各点的束流值与基准点的束流值计算出其新的斜率值Ki=K0·(Ii/I0)和均匀性指标U=(σ/u)·100；

(3)下载新的扫描波形，重复步骤2，直到均匀性指标U小于或等于设定值，图11所示为校准后均匀性指标U=0.268的束流分布图。

图10 校准前水平方向束流分布

实验结果表明，靶室控制系统此项功能达到了设计要求。

图11 校准后水平方向束流分布

4.5 注入剂量检测与校准

注入剂量检测与校准主要功能：对AD采集的剂量值进行标定、计算闭环法拉第杯采集的剂量值与移动法拉第杯采集的剂量值的比率和计算当前注入菜单需要注入的次数等，具体操作如下：

(1)选择标准恒流源和标准时间通过积分电路进行积分，即D0=C×（18×10-6）×（50×10-6），其中C为库仑系数，此积分值通过AD转换后得到一个标定值S；

(2)置剂量控制器于扫描状态下，扫描波形为通过校准后均匀性达到设定指标的波形；

(3)运动移动法拉第杯到靶台中心位置后开始采集每次水平扫描获得的剂量值；

(4)运动移动法拉第杯到原点位置后，通过闭环法拉第杯同样采集剂量值；

(5)计算两个法拉第杯采集剂量的平均值的比率K=Dc/Dp，其中Dc，Dp分别为闭环法拉第杯和移动法拉第杯采集的剂量的平均值；

(6)通过以上获得的数据便可计算出当前工艺菜单需要注入的次数。

4.6 垂直扫描功能测试

垂直扫描测试主要是检测直线电机按设定的速度与行程进行上、下往返扫描运动，并且在运动过程中，等距离产生水平扫描的同步触发信号。扫描速度可根据当次的注入剂量自动选择合适的扫描速度，使剂量注入达到最优。

4.7 晶片注入工艺测试

在以上各项测试结果均达到设计要求的前提下，进行了晶片注入工艺实验，工艺条件是注入剂量1E14 atom/cm2，能量300 keV，注入元素Al+。将注入工艺后的晶片进行SIMS分析并与进口同类设备进行比较，其结果如图12所示，可得知自研机台的注入离子剂量精度和能量精度均达到了设计要求，与进口同类设备相当。

图12 离子注入工艺后SIMS分析结果

将注入后的晶片进行了退火处理，测得其方阻分布如图13所示，电阻均方差(std)为0.41%（1σ），达到了设计要求。

5 结论

基于CompactRIO嵌入式实时控制器的高温高能特种离子注入机靶室控制系统能实时、精密地测量离子束的束流和剂量，并且根据实时测量的束流完成水平方向的束流密度均匀性校准、束角度测量和束平行度校准等。实时控制水平扫描速度和垂直扫描速度，确保离子均匀地注入到晶片上。实验验证该控制系统达到了设计要求。

图13 离子注入工艺后方阻测量结果

[1]Liu AG，Wang XF.A novel distributed system for ion implanter control and automation[J].Review of Scientific Instruments，1998，(65)：1495-1498.

[2]苏海龙，骆宗安.基于LabVIEW RT的集散控制系统[J].仪表技术，2004，(5)：11-12.

[3]杨尧，王民刚，赵岳楼.LabVIEW FPGA模块在飞控计算机测试系统中的应用[J].测控技术，2010，29，(3)：48-51.