高溫高能特種離子注入機靶室控制系統設計

蔡先武，鐘新華

(湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南長沙410205)

高溫高能特種離子注入機具備高能量范圍、基片高溫等特點，應用廣泛，主要用于碳化硅器件制造中實現摻雜工藝、材料改性和核技術研究等領域。

高溫高能特種離子注入機光路采用分析后再加速，掃描后進行束角度校準的方案，垂直方向采用一維機械掃描。靶臺有紅外加熱功能。因此，高溫高能特種離子注入機靶室控制系統主要功能有離子束流和劑量精確測量、離子束一維電掃描控制、靶臺一維機械掃描運動控制、注入劑量及均勻性和注入能量控制和靶臺溫度精確控制等，是高溫高能特種離子注入機的核心部件。其主要的技術指標有束流與劑量的測量精度、注入劑量的精確性及分布的均勻性、基片溫度及溫度分布的精確性等。

1 靶室控制系統設計

根據高溫高能特種離子注入機靶室的功能需求設計的靶室控制系統主要由嵌入式實時控制器、劑量控制器、溫度控制器、掃描電機、法拉第電機、旋轉電機和掃描電源等組成，如圖1所示。

圖1 靶室控制系統構成

對主控制器的FPGA模塊實現的主要功能進行詳細的介紹。FPGA模塊主要實現了一個通用SPI接口及3個中斷信號的采集，如圖2所示。其中SPI接口提供4路片選信號cs0～cs3，時鐘頻率能設置為以下幾種檔位：100 kHz、200 kHz、500 kHz、1 000 kHz和2 000 kHz，SPI接口有4種工作模式，可通過2 bit控制位來選擇。3個中斷信號中，IRQ1為劑量控制器向實時控制器申請SPI通信中斷，此中斷信號為一個約為1.5 μs寬的低電平信號；IRQ2為劑量控制器束流采集A/D轉換完成中斷，此中斷為一個約為4 μs寬的高電平信號；IRQ3為一個周期性的脈沖信號，上升沿觸發，是由垂直掃描同步板產生，用于運動控制器、劑量控制器和實時測量與控制器間的同步控制。

2 劑量控制器設計

劑量控制器是靶室控制系統的關鍵部件，其主要功能是精確實時地采集離子數量，并控制離子束在電場中作一維運動，通過調節各位置點的掃描速度達到將離子按設定劑量、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：掃描波形數據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。

水平掃描波形發生器工作原理是根據束流在水平方向的分布，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生器的RAM中，在執行掃描的過程中，掃描發生器從RAM中實時地讀出這些數值來產生電壓波形，如圖2所示。這樣實現了水平方向掃描速度隨著水平方向各位置點對應的束流大小成比例調節，從而保證了每次掃描注入離子在水平向分布的均勻性。

圖2 電掃描方向束流分布均勻性校準

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，水平和垂直掃描運動不是獨立工作，而是需要同步進行。兩者之間的同步方式為：垂直機械掃描每當運動一個等距離ΔS，向離子注入機劑量控制器發出一個觸發脈沖，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生，積分信號寬度（低電平有效）可在掃描波形數據中進行設定。

重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次往復掃描，并完成1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，注入掃描原理見圖3所示[1，2]。

劑量控制器有波形數據寄存區，用來存放水平掃描波形數據，每一點波形數據由4個字節組成，其中有兩個字節為電壓值，另外兩個字節為此點電壓對應的斜率值。注入劑量是束流對時間的積分，由積分電路完成，而積分時間的控制是由掃描波形數據中某一位決定，即束在掃描的過程中，當離子束快要到達閉環法拉第杯時，將此位置0，觸發積分電路開始電流積分，當束掃過閉環法拉第后，將此位置1，結束束流積分，同時啟動AD轉換，AD轉換完成后產生中斷IRQ2。

圖3 掃描示意圖

離子注入機劑量控制器是一個專用的計算機控制系統，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、波形發生電路、信號調理與放大電路、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轉換電路等。其硬件結構如圖4所示。

所述CPU單元采用16位單片機，主要功能存儲掃描波形數據、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一指揮協調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，實現與外部數據的交互。信號調理電路主要功能是將法拉第杯獲得的束流信號通過調理放大為0～10 V DC電壓信號，測量范圍為0～20 mA。為了提高測量精度，全程分為5個檔位，分別是2 μA、20 μA、200 μA、2 mA和20 mA檔。5個檔位后可選擇對信號進行4種放大倍數，即：1倍、2倍、4倍和8倍。測量精度非常高，其中，微安和毫安級信號測量精度＜0.5%，納安級信號測量精度＜1.0%。CPU單元通過片選信號與通道程控開關、檔位程控開關和束流/劑量程控開關相連，程控開關采用固態繼電器組實現，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法拉第杯采集的電荷量Q=∫Idt，即為注入的離子電荷量，積分時間由CPU單元精確控制輸出，時間控制精度達到0.2 μs。束流峰值檢測電路用于檢測一段時間內束流的峰值，束流峰值主要用于快速地找到合適的測量檔位和放大倍數。波形發生器的波形數據寄存在CPU單片的RAM中，每一點波形數據由4個字節組成，其中有兩個字節為電壓值，另外兩個字節為此點電壓對應的斜率值。掃描波形輸出通過程序控制，當啟動波形輸出時，CPU單元會逐個地將電壓坐標和斜率坐標送到波形輸出執行電路，執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電壓坐標值，當輸出電壓到達給定電壓時，向CPU單元發出告知信號，CPU單元收到此信號后，將下一組波形數據送到執行電路。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束流離子的數量。主要包括束流信號輸入、積分控制信號、積分電壓基準調節、積分信號零點漂移調節、積分電壓泄放和積分信號輸出電路等。當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。當積分控制信號變為高電平時，電流積分結束，積分輸出可通過AD電路進行讀取，同時泄放電路與地導通，積分電壓信號泄放，并且電路具有積分電壓基準調節和零漂調節等功能[3，4]。

圖4 劑量控制器電路原理

3 靶室控制系統軟件設計

高溫高能特種離子注入機靶室控制系統軟件采用LabVIEW軟件開發平臺，包括LabVIEW FPGA模塊、LabVIEW RT模塊和Ni SoftMotion模塊。軟件系統采用分層結構，最上層主要實現TCP/IP通信、命令解釋、邏輯控制和報警及故障處理功能；中間層包含5個功能模塊；底層實現了基于FPGA定制的SPI接口和硬中斷采集等功能。離子注入機靶室控制軟件體系結構如圖5所示。

圖5 靶室控制系統軟件架框圖

高溫高能特種離子注入機靶室控制系統是離子注入機控制系統中的一個子系統，沒有自己獨立的用戶操作界面，通過網絡與主控制計算機相連，由主控制計算機向靶室控制系統發送控制命令，靶室控制系統接收到命令后通過命令解釋向各功能模塊發送執行命令，實現控制功能。通信控制流程如圖6所示。

4 靶室控制系統功能測試

4.1 掃描波形與劑量采集功能檢測

首先，對上述的高溫高能特種離子注入機靶室控制系統的掃描波形與劑量采集功能進行實驗，通過波形數據構造了一個“W”波形，其形狀和周期可通過修改波形數據和周期控制參數而改變。劑量采集功能正常，劑量測量結果如圖7所示，當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；當積分控制信號變為高電平，劑量積分信號瞬間泄放到零電位。實驗驗證靶室控制系統此項正常達到了設計要求。

圖6 通信接口控制流程圖

圖7 掃描波形與劑量采集功能檢測結果

4.2 束剖面檢測

通靶室控制系統控制移動法拉第杯作勻速運動，并且每移動一個等距離產生一次脈沖同步信號，每個同步信號觸發劑量控制器實時采集一次通過移動法拉第杯的束流，并將每次采集的束流值發送給上位機，上位機可通過這些數據畫出束剖面圖，計算出總束流大小、束寬、束中心坐標和束流積分中值坐標等。總束流計算公式I=（D/W）·∑i，其中D為移動法拉第杯移動步長，W為移動法拉第杯開口寬度，i為移動法拉第杯單次采集的束流值。實際測量結果如圖8所示，實驗驗證了該項功能達到了設計要求。

圖8 束剖面檢測結果

4.3 束角度與平行度檢測

平行度檢測是束在掃描的狀態下，測量各位置處的束線與靶臺中垂線的夾角及角度差。

檢測步驟：

(1)將劑量控制器置于掃描模式，掃描頻率大于1 kHz；

(2)運動移動法拉第杯，在移動法拉第杯運動的前半程選擇角度杯2進行束流采樣，在移動法拉第杯運動的后半程選擇角度杯1進行束流采樣，移動法拉第杯每運動一等距離便向劑量控制器觸發束流采樣信號；

(3)靶室控制系統根椐劑量控制器采集的數據計算出角度杯2和角度杯1的測量位置，見圖11中兩個凹陷的中心點位置，根據圖10可進一步計算出束在角度杯1處的角度θ1=tan-1(Δs1/H)和束在角度杯2處的角度θ2=tan-1(Δs2/H)，兩個角度差Δθ=θ2-θ1，即為衡量束平行度指標；

(4)如果角度差沒有滿足指標，需要調節平行透鏡后，重新進行平行度檢測，直到達到指標。

束角度與平行度檢測功能實驗結果如圖9所示，達到設計要求。

4.4 束水平均勻性檢測與校準

水平均勻性校準是通過測量束在水平方向各位置處的束流分布來修正掃描波形斜率值從而達到水平方向的束流分布均勻。

圖9 束角度與平行度檢測結果

檢測與校準步驟：

(1)通離子注入機主控系統向靶室控制系統下載一個理想的“W”波形，各點的斜率值均為K0，置劑量控制器于掃描狀態下，掃描頻率大于1 kHz。

(2)運動移動法拉第杯，移動法拉第杯每運動一等距離便向劑量控制器觸發束流采樣信號，劑量控制器采集束流并將束流值和移動法拉第的位置值傳送給主控系統，主控系統根據獲得的數據可以直觀地畫出束流水平方向的分布圖(見圖10所示)，并且根據各點的束流值與基準點的束流值計算出其新的斜率值Ki=K0·(Ii/I0)和均勻性指標U=(σ/u)·100；

(3)下載新的掃描波形，重復步驟2，直到均勻性指標U小于或等于設定值，圖11所示為校準后均勻性指標U=0.268的束流分布圖。

圖10 校準前水平方向束流分布

實驗結果表明，靶室控制系統此項功能達到了設計要求。

圖11 校準后水平方向束流分布

4.5 注入劑量檢測與校準

注入劑量檢測與校準主要功能：對AD采集的劑量值進行標定、計算閉環法拉第杯采集的劑量值與移動法拉第杯采集的劑量值的比率和計算當前注入菜單需要注入的次數等，具體操作如下：

(1)選擇標準恒流源和標準時間通過積分電路進行積分，即D0=C×（18×10-6）×（50×10-6），其中C為庫侖系數，此積分值通過AD轉換后得到一個標定值S；

(2)置劑量控制器于掃描狀態下，掃描波形為通過校準后均勻性達到設定指標的波形；

(3)運動移動法拉第杯到靶臺中心位置后開始采集每次水平掃描獲得的劑量值；

(4)運動移動法拉第杯到原點位置后，通過閉環法拉第杯同樣采集劑量值；

(5)計算兩個法拉第杯采集劑量的平均值的比率K=Dc/Dp，其中Dc，Dp分別為閉環法拉第杯和移動法拉第杯采集的劑量的平均值；

(6)通過以上獲得的數據便可計算出當前工藝菜單需要注入的次數。

4.6 垂直掃描功能測試

垂直掃描測試主要是檢測直線電機按設定的速度與行程進行上、下往返掃描運動，并且在運動過程中，等距離產生水平掃描的同步觸發信號。掃描速度可根據當次的注入劑量自動選擇合適的掃描速度，使劑量注入達到最優。

4.7 晶片注入工藝測試

在以上各項測試結果均達到設計要求的前提下，進行了晶片注入工藝實驗，工藝條件是注入劑量1E14 atom/cm2，能量300 keV，注入元素Al+。將注入工藝后的晶片進行SIMS分析并與進口同類設備進行比較，其結果如圖12所示，可得知自研機臺的注入離子劑量精度和能量精度均達到了設計要求，與進口同類設備相當。

圖12 離子注入工藝后SIMS分析結果

將注入后的晶片進行了退火處理，測得其方阻分布如圖13所示，電阻均方差(std)為0.41%（1σ），達到了設計要求。

5 結論

基于CompactRIO嵌入式實時控制器的高溫高能特種離子注入機靶室控制系統能實時、精密地測量離子束的束流和劑量，并且根據實時測量的束流完成水平方向的束流密度均勻性校準、束角度測量和束平行度校準等。實時控制水平掃描速度和垂直掃描速度，確保離子均勻地注入到晶片上。實驗驗證該控制系統達到了設計要求。

圖13 離子注入工藝后方阻測量結果

[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]蘇海龍，駱宗安.基于LabVIEW RT的集散控制系統[J].儀表技術，2004，(5)：11-12.

[3]楊堯，王民剛，趙岳樓.LabVIEW FPGA模塊在飛控計算機測試系統中的應用[J].測控技術，2010，29，(3)：48-51.