宽带束离子注入机均匀性调节与控制方法研究

彭立波，钟新华，张赛，张进学

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙，410111）

宽带束离子注入机均匀性调节与控制方法研究

彭立波，钟新华，张赛，张进学

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙，410111）

宽带束离子注入机的均匀性调节系统由线圈磁铁组及可调磁极组组成，通过分析调节原理，结合实际调试中获得的可调磁极组中单个磁极调节的束流均匀性影响曲线，拟合曲线，建立束流均匀性影响模型，进一步推导出调节模型。在实际应用中，设计合理的控制方法，根据束流的实际情况，采用内/外插值法，适时调节束流均匀性影响模型参数组，可改善模型的适应性。经过测试表明，采用基于束流均匀性调节模型的迭代调节方法，可实现束流均匀性调节，测试注入300 mm硅片的方块电阻均匀性达到1.17%。

宽带束；离子注入机；均匀性调节；迭代算法

离子注入剂量均匀性与重复性是注入工艺最重要的指标之一，直接影响到器件性能的一致性和成品率［1-3］，对于采用水平宽带束配合垂直一维机械扫描方式进行离子注入的大束流宽带束离子注入机，宽度方向束流均匀性与离子源、各束线光路单元的工作参数及其稳定性等很多因素密切相关，且直接影响离子注入剂量的均匀性，需设计恰当的束流均匀性调节系统，并研究高效的调节控制算法，才能满足离子注入工艺的要求。

1　离子束线系统简介

宽带束的束流均匀性调节系统如图1所示，线圈磁铁组、可调磁极组与平行透镜磁极均在垂直方向以宽带离子束平面对称设置，在垂直方向形成磁场。其中线圈磁铁组与可调磁极组构成调节主体，线圈磁铁组的磁场由各线圈电流共同产生，通过调节各线圈的电流改变局部磁场强度；可调磁极组属于平行透镜磁极的一部分，磁场由平行透镜线圈产生，每个磁极在垂直方向位置可调，即磁极距可调，当平行透镜线圈电流设定后，调节每单个磁极的磁极距，局部磁场强度发生改变。宽带离子束中通过线圈磁铁组发生电流调整的磁极区域或可调磁极组发生磁极距调整的磁极区域的部分离子束的传输方向产生相应变化，最终束流在靶台平面的均匀性分布也产生相应的变化。

图1　束流均匀性调节系统

移动法拉第用于束流在水平方向分布均匀性测量。移动法拉第水平匀速移动，对宽带离子束进行扫描采样，以靶台为中心对称取340 mm宽的束流数据，形成束流均匀性数据，求标准方差σ与束流平均值I的比值即为束流均匀性参数值。

线圈磁铁组距离靶台较远，较小的水平角度偏移能在靶台位置产生较大的束流均匀性分布变化，同时，线圈磁铁组所处位置的束流处于扩张区，水平尺寸较小，限制了线圈磁铁组有效调节线圈的数量，不利于对束流均匀性进行精细调节，用于粗调；可调磁极组距离靶台位置较近，处于束流最宽位置，有效调节磁极数量较多，用于细调，完成主要的均匀性调节功能。

2　束流均匀性调节系统建模与参数优化

宽带束离子注入机完成初步束流调节后，在基本能量、电流、有效束宽度、初始束流均匀性达到基本要求，开始进行束流均匀性调节，调节流程如图2。调节分两步进行，第一步调节线圈磁铁组，使束流均匀性指标达到一初始值；第二步调节可调磁极组，束流均匀性指标达到目标值。

根据当前束流均匀性数据，基于调节模型获得优化的线圈磁铁组的12对线圈的电流值和可调磁极组的14对磁极极距值，是束流均匀性调节算法的核心。线圈磁铁组和可调磁极组对束流均匀性影响的基本原理相同，在模型中可通过替代相应的变量，实现算法的转移，因此本文只对可调磁极组的磁极距参数优化算法进行介绍。

经过实际调试发现可调磁极组每单个磁极对束流的均匀性分布影响有一定规律，经过现场调试收集束流均匀性数据，获得如图3所示的束流均匀性影响曲线。曲线数据为：

xn为移动法拉第沿x轴移动检测的第n个位置；I0（xn）为多磁极极距调整前该位置的束流值；I1（xn）为多磁极极距调整后相同位置的束流值。

对以上曲线进行拟合，得到式（2）的分布函数

图2　束流均匀性调节流程

将可调磁极组的磁极按顺序编号，由式（2）得到任一磁极m在移动一定距离Δhm时对束流均匀性分布的影响，可以用式（3）表示，即磁极m的束流均匀性影响模型。

I0为初始束流均值，am、bm、wm、是与磁极m关联的参数，由磁极结构、束流状态决定；ΔI为束流的影响。x为束剖面座标，hm表示调整前磁极m的磁极距，Δhm表示磁极m磁极距的变化量。

所有磁极同时调节对x点束流的影响为：

假设调节可调磁极组不会改变总束流大小，只改变束流水平均匀性分布，作为具有理想的束流均匀性情况下有：

作为束流均匀性调节的目标，可以推导出均匀性调节模型：

I0（x）为调节前束流分布值。

在实际束流均匀性检测中，以靶台为中心对称取340 mm宽的束流数据计算束流均匀性，束流平均值按式（7）计算：

Ii为在所测点束流大小，j为数据点个数。在均匀性调节模型计算中，为了简化计算量，束流均匀性分布数据细分为t个小区间，区间内束流值为区间数据的平均值，忽略磁极之间的耦合影响，m个磁极对束流的影响在每个小区间内叠加即得到束流均匀性调节模型：

求解模型，其解就是可调磁极组的新极距值，通过多次迭代优化调节，能将均匀性值逐次调低直至满足要求。

模型ΔIm（x，hm）参数组（am、xm、wm）与离子注入机整机状态相关，为保证模型的适用性，在每次进行均匀性调节之前，先通过束流均匀性测量系统得到束流均匀性分布初始数据，即I0（x），再给某个磁极极距一定的调节量，通过移动法拉第检测调节后的束流均匀性分布数据，即I1（xn），通过比较所得两次束剖面数据，求出所调磁极束流均匀性影响模型参数组值（am、xm、wm），然后通过内/外插值法计算出其余磁极的束流均匀性影响模型参数［4］，获得适时的束流均匀性调节模型。均匀性调节流程如图4。

图4　可调磁极组均匀性调节流程

3　试验结果

图5　束流均匀性调节对比图

用大束流宽带束离子注入机对以上算法进行了验证实验，实验条件：B+，束能量30 keV，总束流保持稳定在2%以内，均匀性调节模型求解用MATLBA实现。调节效果如图5所示，调节之前束流均匀性分布为红色曲线，均匀性指标为7.1%，经过6次迭代调节之后达到绿色曲线，均匀性值为1.0%。注入300 mm硅片后，经退火测方块电阻值分布如图6所示，均匀性为1.17%。

图6　方块电阻测试分布图

4　结论

束流均匀性调节是宽带束离子注入机的一项关键技术，在没有可行的束流均匀性调节模型和算法的情况下，对线圈磁铁组和可调磁极组中的每一个线圈的电流或磁极的位置进行一次调节，都需要通过移动法拉第对束流均匀性进行检测，形成闭环，由于线圈磁铁组和可调磁极组的调节单元数多，束流均匀性调节的工作效率将非常低，通过对单个线圈的电流调节和单个磁极的位置调节对束流均匀性的影响进行建模，形成线圈磁铁组所有线圈电流参数和可调磁极组所有磁极位置参数整体调节对最终束流均匀性影响的预测算法，大幅提高束流均匀性调节的效率。本文研究了束流均匀性调节系统核心部件线圈磁铁组与可调磁极组对束流均匀性影响的规律，建立了可调磁极组中单个磁极的束流均匀性影响模型及整机的束流均匀性调节算法模型，经上机应用测试，较好地实现了束流均匀性调节。

同时经过上机实验，发现基于以上调节模型的束流均匀性调节对初始束流均匀性状态有较高的要求，需继续研究提升调节效率和对束流状态的适应能力，调节模型和算法还有完善提升空间，如对模型参数进行自适应的调整，改善模型在不同束流参数条件下与实际情况的匹配度，提升束流均匀性调节的运行效率。

［1］李薇薇，刘胜利，刘玉玲.微电子工艺基础［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［2］Huang S，Horng R，Tseng P.Study on hydrogen ion-imp anted characteristic of thin-film green resonant-cavity light-emitting diodes［J］.IEEE Photonics T-echnology Letters，2010，22（6）：404-406.

［3］王迪平，伍三忠，孙雪平.离子注入剂量的均匀性检测和调节［J］.微纳电子技术，2005，（10）：484-486.

［4］N.R.White，S.Satoh，E.W.Bwll，M.Sieradzki.Positive Control of Uniformity in Ribbon Beams for Implantation of Flat-Panel Displays［J］.International Conference on Ion ImplantationTechnology，1999，1（1）：354-357.

The Research of a Uniform Control Technique for High-Current Ribbon Beam Implanter

PENG Libo，ZHONG Xinhua，ZHANG Sai，ZHANG Jinxue

（The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China）

The uniform control system is composed of coil group and adjustable pole groupin high-current ribbon beam implanter.By analysis for principle of adjustment，fitting the curve of effect of beam current uniform while a pole of pole group has been adjusted，a model for effect of uniform was established，further infer model for adjustment.For activity application，the reasonable control technique was designed，inside and outside interpolation based on actual beam is used to adjust the parameters of model for current uniform adjustment，flexibility of model is improved.Experiments show，by means of iteration algorithm，based on the model for beam uniform adjustment，the beam current uniformity can be adjusted，the measured dose un-uniformity of 300mm wafer is 1.17%.

Ribbon beam；Implanter；Uniform adjustment；Iterate algorithm

TN305.3

A

1004-4507（2016）10-0001-05

2016-09-17