基于STM32離子注入機劑量檢測控制器的設計

(長沙大學 電子信息與電氣工程學院，長沙 410022)

0 引言

離子注入是半導體芯片制造的摻雜工藝，離子注入均勻性指標是衡量注入工藝質量的重要參數。離子注入機劑量均勻性控制技術是離子注入機的關鍵技術之一，必須采取基于各種控制與測量方法和裝置將離子按設定的劑量均勻、精確地注入到整個晶片表面[1]。

劑量檢測控制器的主要功能是精確采集離子束流劑量，并實時控制離子束掃描運動，將離子按設定劑量均勻注入到晶片表面，它的控制性能的優劣及可靠性，直接影響整機的技術性能及指標[2-3]。

離子注入技術中，大面積均勻注入是必不可少的條件，直接將離子束靜態地注入到晶片表面是不行的，首先離子束橫截面的束流密度分布存在不均勻性，另外離子束能量集中于晶片表面的固定區域時，會引起晶片表面溫度過高，造成晶片損傷。因此，必須用離子束循環掃描的注入方式，使離子束重復均勻掃描晶片表面，以保證注入的均勻性[4]。

根據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，離子束有斑狀束和帶狀束，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，離子注入設備常用以下三種二維掃描方式。

1)電子式掃描：離子束進行掃描，晶片固定，離子束通過一套加了特定電壓的水平掃描(X方向)和垂直掃描(Y方向)電極，使離子束發生偏轉，實現離子束在X-Y兩個方向上的來回掃描，使離子束能均勻地掃描整個晶片。由于電子式掃描簡單、有效，因此應用廣泛[4]。

2)機械式掃描：固定離子束，晶片在旋轉電機和步進電機帶動下進行機械掃描。

3)混合式掃描：離子束進行水平方向電子掃描，晶片在直線電機的帶動下作與電子掃描垂直方向的運動。

本文設計了一種適用于電子式掃描的離子注入機劑量控制器，經測試表明，可以實現注入劑量的高精度檢測，使整塊晶片上的注入劑量均勻性得到控制，效果良好。

1 系統結構及原理

本設計以STM32單片機作為主控芯片，由閉環法拉第杯、信號調理電路、精密電流/電壓(I/V)變換電路、峰值檢測電路、濾波電路、積分電路、模/數(A/D)轉換電路、通信接口電路、自校準電流源電路、掃描波形發生電路、高壓電放大電路和液晶顯示電路組成，系統電路方框圖如圖1所示。

圖1 系統電路方框圖

閉環法拉第杯用以捕獲進入其中的所有電荷，測量注入晶片上的離子束流；信號調理電路將法拉第杯獲得的離子束流放大，多通道精密I/V變換電路將離子束流變換成0～10 V的電壓；積分電路用于測量給定時間內注入的離子劑量，積分控制信號由微處理器輸出，當離子束流到達閉環法拉第杯時，積分控制信號變為低電平時，選通束流輸入端，觸發積分電路開始束流積分，當束流掃過閉環法拉第杯后，積分控制信號變為高電平，束流積分結束，啟動A/D轉換電路，A/D轉換完成后產生中斷請求，微處理器讀入轉換結果，計算出離子束流電流值。峰值檢測電路完成一段時間內束流峰值的檢測，主要用于選擇合適的測量檔位。濾波電路完成離子實時注入劑量檢測。微處理器根據這三種檢測結果，控制外部束流的輸出量，實現對離子注入劑量的精確控制。

掃描波形發生電路產生X軸和Y軸兩路掃描信號，經過高壓放大電路輸出掃描電壓，實現離子束在X-Y兩個方向上的來回掃描，使離子束能均勻地掃描整個晶片。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊設計

主控模塊控制核心芯片選用基于ARM Cortex-M4的STM32F407，其主頻為168 MHz，具有片上1MB Flash、112KB SRAM，集成了單周期DSP 指令和FPU( floating point unit，浮點單元) ，提升了計算能力和代碼的執行效率，內部集成更加豐富的外設接口，自帶2個CAN控制器，支持CAN協議2.0A和2.0B主動模式，波特率最高可達1 Mbit/s[5]，完全符合劑量控制器所需要的采集和運算速度，它的主要任務是計算掃描電壓波形數據、運行控制程序、通過串行通信口接收主控計算機指令和發送數據給主控計算機等，如圖2所示是主控制器硬件連接圖。

圖2 主控制器硬件連接圖

處理器外接16M的晶振，通過內部PLL鎖相環倍頻到48M的系統工作頻率。PC6和PC7作為串口外部通信，其它主要的引腳功能如下：

PIC_LED：為處理器的運行指示LED燈；

LD_MSLOPE：為X方向掃描斜率控制DAC加載控制信號；

PULSE_CONT：為脈沖基準標定信號控制引腳，控制基準電路產生一個指定準確脈沖的信號，通過積分電路進行積分并測量，計算校準，確保積分的準確性。

BUSY：為系統忙信號輸出引腳，高電平時表示系統正忙；

3XBEAM：為0.5倍束流輸入信號，處理器通過快速檢測輸入束流信號選擇合適的輸入范圍；

DIRECTION：為掃描波方向控制輸出信號；

INTEGRATE：為ADC采集積分控制同步信號；

RD0-RD7：為DAC數據的低8位；

RD8-RB11：為DAC數據的高4位；

POS_EQUALS：為光纖通信輸入信號；

MATCH：為生成掃描信號極性檢測；

LD_POS：為點位置信號控制DAC數據加載信號輸出；

LD_SLOPE：為掃描信號生成斜率控制DAC加載信號輸出；

INTRPT：為外部中斷請求信號輸入；

MCLR：為外控制復位信號輸入；

SCLK，MOSI，MISO，SS0，SS1，SS2，SS3：為控制器電路板上其他各器件SPI通信引腳；

RX、TX：為串口通信引腳。

2.2 精密I/V變換電路設計

精密I/V變換電路原理圖如圖3所示，為了提高測量精度，分為6個檔位，分別是200 nA檔、2 uA檔、20 uA檔、200 uA檔、2 mA檔和20 mA檔，由一個精密高速運算放大器OPA627，6個高速繼電器和6個不同阻值的萬分之一高精密電阻組成，由微處理器根據模擬通道中的輸入電流大小控制繼電器自動切換檔位，將輸入電流高速切換到6個不同阻值支路，控制輸出電壓的大小在一個合適的區域值，快速實現多檔位束流精確采集功能，圖中RV1和RV2為調零電位器。

圖3 精密I/V變換電路原理圖

2.3 峰值檢測電路設計

圖4是峰值檢測電路原理圖，主要檢測一段時間內束流的峰值，用于合適的測量檔位選擇。由精密高速運放OPA627、一個極低漏電流場效應管Q1用作充電二極管、極低漏電流的精密電容CP1、放電電阻R15和模擬開關構成，實現準確而快速的檢測峰值電壓。每次檢測峰值電壓前，通過閉合模擬開關，將電容通過R15對地完成放電。

圖4 峰值檢測電路原理圖

2.4 積分電路設計

積分電路用于測量給定時間內束流離子的劑量，其電路原理如圖5所示。主要包括束流信號輸入Vin、積分信號使能、積分放電控制和積分信號輸出電路等。當積分信號使能端為低電平時，選通束流Vin輸入端，同時將積分放電端懸空，啟動束流積分功能。當積分信號使能端變為高電平時，束流積分結束，積分輸出電壓Vout可通過A/D電路進行讀取，同時積分放電電路導通，積分電壓信號泄放。

圖5 積分電路原理圖

2.5 自校準電流源電路設計

圖6自校準精密電流源電路原理圖，由精密基準電壓芯片REF102BP，4個萬分之一的高精密電阻、精密運放OPA627，模擬開關和繼電器構成。REF102是高精度10 V電壓基準集成電路芯片，其溫漂在工業溫度范圍內低至2.5 ppm/ C，具有功耗低、升溫快、穩定性好、噪聲低等優點[6]。REF102的輸出電壓幾乎不隨供電電源電壓及負載變化，通過調整外接電阻，輸出電壓的穩定性及溫度漂移可降到最小。圖中REF102BP產生10 V的基準電壓，通過R17和R18分壓后經OPA627緩沖后獲得9.000 V的基準電壓，模擬開關控制基準輸出產生準確的脈沖信號。微處理器控制繼電器的切換，實現注入離子束流自檢和自校準。

圖6 自校準精密電流源電路原理圖

2.6 A/D采集電路設計

本設計要求快速準確采集各路模擬信號，不需要連續采集，只需要采集瞬間值，如峰值檢測電路，在一個掃描周期內，需要準確采集在充電電容放電前的最大值。在一個掃描周期內進行劑量積分檢測時，積分壓值代表了束流的大小，快速準確采集積分電壓很重要。

A/D轉換電路連接電路如圖7示，AD977ABN為ADI公司的16位、200 kSPS的A/D轉換芯片，具有最大無極性0～10 V，有極性±10 V的輸入范圍和其它可選的小范圍輸入配置[7]，本設計配置成0～10 V輸入范圍。AD977ABN具有高達96 dB的動態范圍，同時自帶2.500 V精度基準，很適合在本設計中寬范圍輸入應用。

圖7 A/D轉換電路連接電路圖

圖中Ain1為0～10 V的輸入信號，前級通過模擬開關將不同的信號切換輸入；

SPI_CLK為MCU讀取轉換數據的時鐘輸入信號；

ADC_DATA為MCU讀取轉換數據的數據輸出信號；

INTEGRATE為轉換觸發輸入信號；

TRIG為轉換中忙信號，低電平表示忙，轉換中，高電平表示轉換完成，此時可觸發下一次轉換。

2.7 掃描波形發生電路

波形發生電路由微處理器、FPGA、即X/Y向兩路高速DAC轉換電路、兩路濾波電路、兩路緩沖放大電路和高壓放大電路組成，包含X向掃描發生器和Y向掃描發生器，經離子束的初始軌跡注入在晶片的中心位置處，波形發生器產生X/Y向二維掃描，同步控制離子束偏離初始軌跡，使之打在晶片的其它區域，從而在晶片的整個表面上均勻注入離子。

微處理器接收主控計算機的控制命令，完成與主控機的數據通信、鍵盤等外部接口電路的設計，對FPGA進行操作，完成控制波形電壓數據的更新。FPGA采用Cyclone III的EP3C16Q240C8N，利用其內部的RAM存儲波形數據，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，由X/Y向校準算法修正各點的掃描電壓斜率值，實現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，保證每次掃描注入離子在水平向分布的均勻性。掃描波形輸出通過程序控制，當啟動波形輸出時，FPGA會從RAM中實時地讀出電壓坐標和斜率坐標送到高速DAC、轉換電壓送入濾波電路濾掉高頻噪聲，經過緩沖放大電路后、再經過高壓放大電路產生給定的斜率輸出掃描電壓，當輸出電壓到達給定電壓時，向微處理器發出信號，微處理器告之FPGA將下一組波形數據送到上述執行電路。

3 系統程序設計

劑量檢測控制器主要完成檢測離子束流、計量晶片注入劑量、掃描電壓波形控制、束流輸出控制，主控計算機與劑量控制器實時數據交互，并負責整機的全自動控制，數據顯示與處理。系統控制程序需要處理的數據量大，控制點多，控制過程復雜，采用分層結構化的框架式結構設計來提高軟件的編寫效率，降低復雜度，同時提高軟件系統的健壯性、可讀性和可維護性。

3.1 主功能程序

根據系統控制和時序要求，構建一個如圖8所示的主框架程序。主框架程序在系統初始化完后，循環調用1 ms周期用戶程序，10 ms周期用戶程序，100 ms周期用戶程序和劑量檢測、計算、顯示和控制等其它功能程序。

圖8 主框架程序工作進程流程

3.2 中斷程序設計

系統中斷程序分為外部中斷，串口通信中斷，100 μs定時中斷，1 ms定時中斷和10 ms定時中斷，根據系統的控制要求在中斷程序中調用相應的功能模塊。外部中斷為A/D采集電路在數據采集轉換完成后，通知微處理器讀取數據。

100 μs中斷具有最高優先級，用于定時要求嚴格的功能模塊，如產生精確的AD采集觸發脈沖，從時間上保證系統的準確性。

1 ms中斷具有第二優先級，用于控制波形輸出的幅度，通信協議定時和定時計數等。

串口通信中斷程序僅進行數據接收的發送，協議處理在主框架程序內調用處理完成。

10 ms中斷用于處理輸入輸出掃描，輔助功能處理，如長時間定時計數。

3.3 通信程序設計

本控制器集成了Modbus通信協議，方便與主控計算機和工業HMI(Human Machine Interface)人機界面接口通信。通信協議包含串口初始化函數，收發中斷函數，接收數據協議處理函數和協議時間處理函數等多個功能程序。

串口接收產生接收中斷后，清除中斷標志，調用數據讀取處理程序，然后更新協議時間，最后退出中斷，直到下一次中斷進入。串口發送產生發送空中斷后，清除中斷標志，立即準備下一個數據發的發送，如果發送完成，則關閉中斷，不發送數據退出，直到下一次觸發中斷發送數據。

Modbus的數據通信結束是基于協議時間來判別的，當大于3個字節通信時間內沒有收到數據表示通信完成，協議時間清零，關接收中斷，置位接收完成標志。考慮到通信協議處理不需要過高的響應時間，響應時間為幾個毫秒，同時協議處理時間在300 μs以內，將協議處理程序放入用戶1 ms周期內調用，不影響通信響應的同時只占用較的CPU處理時間。

3.4 注入劑量控制程序設計

在電子式掃描中，離子束的高速掃描可以產生足夠多的重復圖形，使不完整圖形帶來的不均勻性限制在所希望的范圍內[5]。因此，電子式掃描在滿足線性要求的條件下，一般只監控注入劑量，就可以達到要求的均勻性。劑量控制器是整個系統的指揮和協調中心，主要任務是根據設定的離子注入劑量計算出掃描次數，在注入過程中，實時采集掃描過程的相關數據，對劑量進行實時監控，控制每次掃描波形周期，注入劑量等于設定值，就會自動關閉束閘，停止注入。程序流程如圖9所示。

圖9 注入劑量控制程序流程圖

4 測試結果

該劑量檢測控制器成功研制出了樣機，并對樣機的束流采集精度、溫度漂移范圍、繼電器換檔切換時間等主要性能指標進行了測試。控制器實現了大范圍束流的快速量程切換，量程切換時間達到1 ms；束流測量精度小于0.4%，最小量程低至2 μA；測量漂移精度小于0.3%。用自校準電流源模擬注入晶片的離子束流，束流精度和溫度漂移測試結果分別如表1、表2。

表1 束流精度測量實驗數據

5 結束語

本文設計了一種基于STM32單片機的離子注入機劑量檢測控制器，介紹了系統結構及硬軟件設計過程。該控制器首先通過主控制計算機設置晶片需要注入的離子劑量，利用法拉杯測量注入的離子束流，通過電流/電壓變換電路、劑量積分電路、峰值檢測電路和微處理器測量實時計算注入的離子劑量值，通過波形發生電路產生X/Y向二維電掃描，改變X軸和Y軸的掃描電場，控制離子束作二維運動，將離子束按設定的劑量值，均勻注射離子到晶片表面。測試結果表明：該控制器功能實現了預期的設計功能，具有廣泛的應用前景。

表2 溫度漂移測量實驗數據