離子注入機分析器模型的自動調束控制方法

孫 勇，鐘新華，楊亞兵

(1. 中國電子科技集團公司第四十八研究所， 湖南 長沙410205；2. 北京爍科中科信電子裝備有限公司， 北京101111)

近幾年隨著我國集成電路制造的高速發展，用戶對集成電路生產設備離子注入機的精度、重復性、穩定性、產能和自動化等要求也越來越高。為適應市場要求，本文提出了一種基于離子注入機分析器模型的自動引束控制方法。此方法是通過獲得離子注入機分析器精確模型，減少自動引束的調整時間，大大提高了自動引束的效率和成功率，從而提高了離子注入機設備的生產效率和穩定性。

這種方法采用霍爾探頭(Hall Probe)來測量質量分析器的實際磁場。為了保證測量的準確性，利用離子注入機光路理論模型對霍爾探頭進行校準，實驗驗證了此測量方法的準確性和穩定性。采用在線辨識方法獲取質量分析器的實際模型，用于控制器的前饋控制，提高了離子注機分析的調節控制效率和穩定性。

1 原理

離子注入機通過離子束加速器、質量分析器、平行透鏡等光路部件將符合設定質量數、電荷數和能量的離子注入到晶片表面。其中質量分析是將同一能量的不同質量數的離子束經過一個特定的磁場、將符合質量數要求的離子分離出來。離子注入機的光路如圖1 所示，對給定動能、質量數m和電荷數q的離子，其曲率半徑r是特定的，是由磁場大小決定的。通過調整分析器的磁場大小，使之產生與機器光路幾何形狀相匹配的離子曲率半徑，才能保證給定的動能、質量數和電荷數的離子通過光路狹縫。

根據洛倫茲力定律，離子在磁場中的運動軌跡計算公式為：

式(1)中，B為磁場強度，r為曲率半徑，v為離子運動速度，m為離子質量，q為電荷數，e為電荷常數（1.6×10-19C）。

在不考慮熱損耗的條件下，根據能量守恒定律可得：

其中，U為加速電壓，單位為V。

由式(1)、(2)得：

其中，E=qU，為注入能量，單位eV，m為離子的質量數。將磁剛度R代入公式3 可得：

由式(4) 可以得出磁場強度與離子的磁剛度是理想的一次線性關系。

圖1 離子注入機光路示意圖

2 磁場測量與校準

由于Hall Probe 輸出電壓受磁場強度B、安裝位置和DC 電壓漂移等因素影響，因此需要通過Analyzer 理論模型（公式4）對磁場測量系統進行校準，校準方法為：

式(5)中，B為磁場強度，VHP為Hall Probe 的電壓，k為系數，c為截距。

系數k和截矩c通過幾組不同的Beam 和最小二乘法求得。VHP對應的磁場強度可由公式B=求得，其中R為磁剛度，r為轉變半徑。

3 分析器模型校準

由于分析器的實際磁場模型與理論模型存在差別，為了能夠實現精確控制，需要對分析器實際模型進行修正，采用二次模型進行修正，即：

式(6)為離子剛度R與Hall Probe 測量的磁場強度B 的關系式，用于分析器控制器的反饋控制。

為提升控制器的調節速度，減少自動調束(Auto Tune Beam)耗時，提高設備的生產效率，建立了分析器磁場B 和分析器線包電流I 的關系統模型：

由式(7) 可以提前預測磁場線包所需的控制電流，模型用于分析器控制器的前饋控制。

校準過程中要遵守磁剛度R 從小到大的原則，磁場電流從零增加到目標值的方向設置，這樣盡可能避免磁鐵的磁滯效應的影響[1]。

4 實驗驗證

首先對Hall Probe 校準模型公式(5)進行實驗驗證和參數獲取，實驗方法是在CIP900 型離子注入機上、通過不同能量、不同元素的離子束獲取最優數據，并進行最小二乘擬合，圖2 為Hall Probe校準模型的擬合結果，相關系數優于R2=0.9993。

圖2 Hall Probe 校準模型擬合結果

以同樣的實驗方法對公式(6)和公式(7)進行多項式擬合，實驗結果如圖3 和圖4 所示。

圖3 磁場B 與磁剛度R 的擬合結果

圖4 分析器電流與磁場的擬合結果

通過建立可靠的Hall Probe 校準方法，可以精確測量出分析器的真實磁場強度，以免被其它干擾。利用模型公式(6)和模型公式(7)，在束流能量、質量數和電荷量已知的情況下，就能快速預先計算出分析器電流，從而避免了通過找束流峰值的方法來確定正確的磁鐵設置值，減少了分析器調節時間，提高了設備自動調束的效率和成功率。該方法在ZKX CIP 300 型離子注入機進行了測試，自動調束時間縮短了1 min 以上[2]。

5 結論

利用霍爾探頭實時測量分析器的磁場并反饋給分析器控制器進行實時控制，這種方法應用到標準的中束流離子注入機進行了廣泛的實驗測試，結果表明，該方法與傳統的找峰值自動調束方法相比，無論是調節效率，還是穩定性都有較大的提高。