高溫高能特種離子注入機(jī)靶室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)具備高能量范圍、基片高溫等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，主要用于碳化硅器件制造中實(shí)現(xiàn)摻雜工藝、材料改性和核技術(shù)研究等領(lǐng)域。

高溫高能特種離子注入機(jī)光路采用分析后再加速，掃描后進(jìn)行束角度校準(zhǔn)的方案，垂直方向采用一維機(jī)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(jī)靶室控制系統(tǒng)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(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)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(jī)的核心部件。其主要的技術(shù)指標(biāo)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(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)高溫高能特種離子注入機(jī)靶室的功能需求設(shè)計(jì)的靶室控制系統(tǒng)主要由嵌入式實(shí)時(shí)控制器、劑量控制器、溫度控制器、掃描電機(jī)、法拉第電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和掃描電源等組成，如圖1所示。

圖1 靶室控制系統(tǒng)構(gòu)成

對主控制器的FPGA模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能進(jìn)行詳細(xì)的介紹。FPGA模塊主要實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用SPI接口及3個(gè)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(shí)鐘頻率能設(shè)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(gè)中斷信號中，IRQ1為劑量控制器向?qū)崟r(shí)控制器申請SPI通信中斷，此中斷信號為一個(gè)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(zhuǎn)換完成中斷，此中斷為一個(gè)約為4 μs寬的高電平信號；IRQ3為一個(gè)周期性的脈沖信號，上升沿觸發(fā)，是由垂直掃描同步板產(chǎn)生，用于運(yùn)動(dòng)控制器、劑量控制器和實(shí)時(shí)測量與控制器間的同步控制。

2 劑量控制器設(shè)計(jì)

劑量控制器是靶室控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其主要功能是精確實(shí)時(shí)地采集離子數(shù)量，并控制離子束在電場中作一維運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)各位置點(diǎn)的掃描速度達(dá)到將離子按設(shè)定劑量、均勻地、精確地植入到晶片上。適合于電掃描與機(jī)械掃描相結(jié)合方式的離子注入機(jī)劑量控制器主要由以下部分組成：掃描波形數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)控制等。

水平掃描波形發(fā)生器工作原理是根據(jù)束流在水平方向的分布，通過校準(zhǔn)算法修正各點(diǎn)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(fā)生器的RAM中，在執(zhí)行掃描的過程中，掃描發(fā)生器從RAM中實(shí)時(shí)地讀出這些數(shù)值來產(chǎn)生電壓波形，如圖2所示。這樣實(shí)現(xiàn)了水平方向掃描速度隨著水平方向各位置點(diǎn)對應(yīng)的束流大小成比例調(diào)節(jié)，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(zhǔn)

晶片注入是通過束在水平方向的掃描運(yùn)動(dòng)和晶片垂直方向的掃描運(yùn)動(dòng)共同完成，水平和垂直掃描運(yùn)動(dòng)不是獨(dú)立工作，而是需要同步進(jìn)行。兩者之間的同步方式為：垂直機(jī)械掃描每當(dāng)運(yùn)動(dòng)一個(gè)等距離ΔS，向離子注入機(jī)劑量控制器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖，即位置同步信號。離子注入機(jī)劑量控制器檢測到此觸發(fā)信號，上升沿有效，輸出一個(gè)“W”型掃描波形。并且，每個(gè)“W”型掃描波形控制一個(gè)劑量積分信號的產(chǎn)生，積分信號寬度（低電平有效）可在掃描波形數(shù)據(jù)中進(jìn)行設(shè)定。

重直方向機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)每移動(dòng)一個(gè)ΔS，離子束斑在水平方向完成4次往復(fù)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(shù)據(jù)寄存區(qū)，用來存放水平掃描波形數(shù)據(jù)，每一點(diǎn)波形數(shù)據(jù)由4個(gè)字節(jié)組成，其中有兩個(gè)字節(jié)為電壓值，另外兩個(gè)字節(jié)為此點(diǎn)電壓對應(yīng)的斜率值。注入劑量是束流對時(shí)間的積分，由積分電路完成，而積分時(shí)間的控制是由掃描波形數(shù)據(jù)中某一位決定，即束在掃描的過程中，當(dāng)離子束快要到達(dá)閉環(huán)法拉第杯時(shí)，將此位置0，觸發(fā)積分電路開始電流積分，當(dāng)束掃過閉環(huán)法拉第后，將此位置1，結(jié)束束流積分，同時(shí)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷IRQ2。

圖3 掃描示意圖

離子注入機(jī)劑量控制器是一個(gè)專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，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(fā)生電路、信號調(diào)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(shù)轉(zhuǎn)換電路等。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

所述CPU單元采用16位單片機(jī)，主要功能存儲掃描波形數(shù)據(jù)、運(yùn)行控制程序、接收外部指令及垂直機(jī)械掃描同步信號和統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)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(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交互。信號調(diào)理電路主要功能是將法拉第杯獲得的束流信號通過調(diào)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(gè)檔位，分別是2 μA、20 μA、200 μA、2 mA和20 mA檔。5個(gè)檔位后可選擇對信號進(jìn)行4種放大倍數(shù)，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(guān)、檔位程控開關(guān)和束流/劑量程控開關(guān)相連，程控開關(guān)采用固態(tài)繼電器組實(shí)現(xiàn)，控制法拉第杯通道選擇、合適檔位選擇和采集目標(biāo)的選擇。劑量積分電路主要用于測量一段時(shí)間內(nèi)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(shí)間由CPU單元精確控制輸出，時(shí)間控制精度達(dá)到0.2 μs。束流峰值檢測電路用于檢測一段時(shí)間內(nèi)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(shù)。波形發(fā)生器的波形數(shù)據(jù)寄存在CPU單片的RAM中，每一點(diǎn)波形數(shù)據(jù)由4個(gè)字節(jié)組成，其中有兩個(gè)字節(jié)為電壓值，另外兩個(gè)字節(jié)為此點(diǎn)電壓對應(yīng)的斜率值。掃描波形輸出通過程序控制，當(dāng)啟動(dòng)波形輸出時(shí)，CPU單元會(huì)逐個(gè)地將電壓坐標(biāo)和斜率坐標(biāo)送到波形輸出執(zhí)行電路，執(zhí)行電路按給定的斜率輸出掃描電壓，并同時(shí)比較實(shí)際輸出電壓與給定電壓坐標(biāo)值，當(dāng)輸出電壓到達(dá)給定電壓時(shí)，向CPU單元發(fā)出告知信號，CPU單元收到此信號后，將下一組波形數(shù)據(jù)送到執(zhí)行電路。以下對劑量控制器主要功能模塊進(jìn)行介紹。

束流積分電路用于測量給定時(shí)間內(nèi)束流離子的數(shù)量。主要包括束流信號輸入、積分控制信號、積分電壓基準(zhǔn)調(diào)節(jié)、積分信號零點(diǎn)漂移調(diào)節(jié)、積分電壓泄放和積分信號輸出電路等。當(dāng)積分控制信號為低電平時(shí)，選通束流輸入端，同時(shí)將積分泄放端懸空，啟動(dòng)束流積分功能。當(dāng)積分控制信號變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，電流積分結(jié)束，積分輸出可通過AD電路進(jìn)行讀取，同時(shí)泄放電路與地導(dǎo)通，積分電壓信號泄放，并且電路具有積分電壓基準(zhǔn)調(diào)節(jié)和零漂調(diào)節(jié)等功能[3，4]。

圖4 劑量控制器電路原理

3 靶室控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高溫高能特種離子注入機(jī)靶室控制系統(tǒng)軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，包括LabVIEW FPGA模塊、LabVIEW RT模塊和Ni SoftMotion模塊。軟件系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，最上層主要實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信、命令解釋、邏輯控制和報(bào)警及故障處理功能；中間層包含5個(gè)功能模塊；底層實(shí)現(xiàn)了基于FPGA定制的SPI接口和硬中斷采集等功能。離子注入機(jī)靶室控制軟件體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 靶室控制系統(tǒng)軟件架框圖

高溫高能特種離子注入機(jī)靶室控制系統(tǒng)是離子注入機(jī)控制系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，沒有自己獨(dú)立的用戶操作界面，通過網(wǎng)絡(luò)與主控制計(jì)算機(jī)相連，由主控制計(jì)算機(jī)向靶室控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令，靶室控制系統(tǒng)接收到命令后通過命令解釋向各功能模塊發(fā)送執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)控制功能。通信控制流程如圖6所示。

4 靶室控制系統(tǒng)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(jī)靶室控制系統(tǒng)的掃描波形與劑量采集功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過波形數(shù)據(jù)構(gòu)造了一個(gè)“W”波形，其形狀和周期可通過修改波形數(shù)據(jù)和周期控制參數(shù)而改變。劑量采集功能正常，劑量測量結(jié)果如圖7所示，當(dāng)積分控制信號為低電平時(shí)，只要測量通道檢測到束流，就會(huì)對束流進(jìn)行積分，劑量積分信號累積升高；當(dāng)積分控制信號變?yōu)楦唠娖剑瑒┝糠e分信號瞬間泄放到零電位。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證靶室控制系統(tǒng)此項(xiàng)正常達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jié)果

4.2 束剖面檢測

通靶室控制系統(tǒng)控制移動(dòng)法拉第杯作勻速運(yùn)動(dòng)，并且每移動(dòng)一個(gè)等距離產(chǎn)生一次脈沖同步信號，每個(gè)同步信號觸發(fā)劑量控制器實(shí)時(shí)采集一次通過移動(dòng)法拉第杯的束流，并將每次采集的束流值發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)可通過這些數(shù)據(jù)畫出束剖面圖，計(jì)算出總束流大小、束寬、束中心坐標(biāo)和束流積分中值坐標(biāo)等。總束流計(jì)算公式I=（D/W）·∑i，其中D為移動(dòng)法拉第杯移動(dòng)步長，W為移動(dòng)法拉第杯開口寬度，i為移動(dòng)法拉第杯單次采集的束流值。實(shí)際測量結(jié)果如圖8所示，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該項(xiàng)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 束剖面檢測結(jié)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(tài)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(yùn)動(dòng)移動(dòng)法拉第杯，在移動(dòng)法拉第杯運(yùn)動(dòng)的前半程選擇角度杯2進(jìn)行束流采樣，在移動(dòng)法拉第杯運(yùn)動(dòng)的后半程選擇角度杯1進(jìn)行束流采樣，移動(dòng)法拉第杯每運(yùn)動(dòng)一等距離便向劑量控制器觸發(fā)束流采樣信號；

(3)靶室控制系統(tǒng)根椐劑量控制器采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出角度杯2和角度杯1的測量位置，見圖11中兩個(gè)凹陷的中心點(diǎn)位置，根據(jù)圖10可進(jìn)一步計(jì)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(gè)角度差Δθ=θ2-θ1，即為衡量束平行度指標(biāo)；

(4)如果角度差沒有滿足指標(biāo)，需要調(diào)節(jié)平行透鏡后，重新進(jìn)行平行度檢測，直到達(dá)到指標(biāo)。

束角度與平行度檢測功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.4 束水平均勻性檢測與校準(zhǔn)

水平均勻性校準(zhǔn)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(dá)到水平方向的束流分布均勻。

圖9 束角度與平行度檢測結(jié)果

檢測與校準(zhǔn)步驟：

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

(2)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)法拉第杯，移動(dòng)法拉第杯每運(yùn)動(dòng)一等距離便向劑量控制器觸發(fā)束流采樣信號，劑量控制器采集束流并將束流值和移動(dòng)法拉第的位置值傳送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)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(jù)各點(diǎn)的束流值與基準(zhǔn)點(diǎn)的束流值計(jì)算出其新的斜率值Ki=K0·(Ii/I0)和均勻性指標(biāo)U=(σ/u)·100；

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

圖10 校準(zhǔn)前水平方向束流分布

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶室控制系統(tǒng)此項(xiàng)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖11 校準(zhǔn)后水平方向束流分布

4.5 注入劑量檢測與校準(zhǔn)

注入劑量檢測與校準(zhǔn)主要功能：對AD采集的劑量值進(jìn)行標(biāo)定、計(jì)算閉環(huán)法拉第杯采集的劑量值與移動(dòng)法拉第杯采集的劑量值的比率和計(jì)算當(dāng)前注入菜單需要注入的次數(shù)等，具體操作如下：

(1)選擇標(biāo)準(zhǔn)恒流源和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間通過積分電路進(jìn)行積分，即D0=C×（18×10-6）×（50×10-6），其中C為庫侖系數(shù)，此積分值通過AD轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)標(biāo)定值S；

(2)置劑量控制器于掃描狀態(tài)下，掃描波形為通過校準(zhǔn)后均勻性達(dá)到設(shè)定指標(biāo)的波形；

(3)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)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(yùn)動(dòng)移動(dòng)法拉第杯到原點(diǎn)位置后，通過閉環(huán)法拉第杯同樣采集劑量值；

(5)計(jì)算兩個(gè)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(huán)法拉第杯和移動(dòng)法拉第杯采集的劑量的平均值；

(6)通過以上獲得的數(shù)據(jù)便可計(jì)算出當(dāng)前工藝菜單需要注入的次數(shù)。

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(jī)按設(shè)定的速度與行程進(jìn)行上、下往返掃描運(yùn)動(dòng)，并且在運(yùn)動(dòng)過程中，等距離產(chǎn)生水平掃描的同步觸發(fā)信號。掃描速度可根據(jù)當(dāng)次的注入劑量自動(dòng)選擇合適的掃描速度，使劑量注入達(dá)到最優(yōu)。

4.7 晶片注入工藝測試

在以上各項(xiàng)測試結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，進(jìn)行了晶片注入工藝實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行SIMS分析并與進(jìn)口同類設(shè)備進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖12所示，可得知自研機(jī)臺的注入離子劑量精度和能量精度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，與進(jìn)口同類設(shè)備相當(dāng)。

圖12 離子注入工藝后SIMS分析結(jié)果

將注入后的晶片進(jìn)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

基于CompactRIO嵌入式實(shí)時(shí)控制器的高溫高能特種離子注入機(jī)靶室控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、精密地測量離子束的束流和劑量，并且根據(jù)實(shí)時(shí)測量的束流完成水平方向的束流密度均勻性校準(zhǔn)、束角度測量和束平行度校準(zhǔn)等。實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖13 離子注入工藝后方阻測量結(jié)果

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