CN111769026A - 一种束流性质测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种束流性质的测量装置和方法，涉及离子注入机，属于半导体制造领域。该装置包括：法拉第杯阵列(9)，束流挡板(8)，束流挡板传动装置(51)，前置挡板阵列(19)，前置挡板阵列传动装置(32)，控制器(54)，该方法包括：测量前对各法拉第杯进行等束流校准。法拉第杯阵列从起始位置开始水平移动到结束点，控制器记录法拉第杯阵列在X轴位置的采集值，得出束流剖面信息及均匀性。将前置挡板放下，测量束流在各前置挡板处的水平方向角度以及平行度等。通过束流挡板周期性运动测量束流在垂直方向上的密度分布。通过前置挡板阵列和束流挡板配合运动，测量束流垂直方向的角度以及平行度分布。

Description

一种束流性质测量装置及方法

技术领域

本发明涉及离子注入机中束流性质的测量装置和方法，涉及离子注入机，属于半导体装备制造领域。

背景技术

随着集成电路制造技术的飞速发展，对半导体工艺设备提出了越来越高的要求，为满足新技术的需要，作为半导体离子掺杂工艺线的关键设备之一的离子注入机在束流指标、束能量纯度、注入深度控制、注入均匀性与生产率等方面需要不断地改进提高。注入的均匀性、束流平行度、注入角度、注入离子精度是离子注入机在注入过程中关键性能参数。这些参数需要通过束流测量来监测。

离子注入机应用了多种束流测量技术，其中移动法拉第杯作为结构最复杂的束流测量装置至关重要。例如，通过移动法拉第杯在水平方向上的移动测量，可以得到束流的剖面信息和均匀性。通过移动法拉第杯对束流的阻挡，测量束流水平角度。

目前的移动法拉第测量技术存在一些缺点。随着晶圆尺寸越来越大，移动法拉第的运动路径越来越长，这会大大增加测量时间，在结构上占据更大的空间。

为了改造目前的束流测量技术，本发明提出了新的技术方案，用于测量束流剖面、均匀性、水平方向角度、垂直方向角度等束流特性。

发明内容

本发明涉及一种用于离子注入系统中束流性质的测量装置和方法。控制器控制前置挡板阵列和束流挡板在y轴方向上运动，法拉第阵列在x轴方向上运动。通过法拉第阵列的移动，测量束流剖面信息。通过两种挡板对束流阻挡完成水平方向角度和垂直方向角度的测量。

本发明的一个方面提供一种用于离子注入系统中束流性质测量的系统。系统由控制器进行协调，控制器可以通过传动装置控制束流挡板和前置挡板阵列上下运动，也能够控制法拉第阵列在水平方向运动。控制器可以与束流产生装置和上位机通信，在处理完测量数据后，可以将相关信息反馈给它们。

本发明的另一个方面提供一种用于离子注入系统中束流性质的测量方法。法拉第杯阵列在水平方向移动，测量斑点束或带状束的水平方向的剖面信息，以及斑点束的水平方向的均匀性；通过束流挡板对束流的阻挡，测量x-y平面内，x等于x1、x2、x3…x12各线上束流的密度分布，配合法拉第杯阵列的运动，测量束流密度的二维分布；通过前置挡板阵列对束流的阻挡，测量各前置挡板位置束流水平方向的角度以及平行度；通过前置挡板和束流挡板的配合运动，测量各前置挡板位置束流垂直方向角度分布，计算垂直方向平行度。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍，但不作为对本发明专利的限定。

图1是本发明束流挡板、前置挡板阵列和法拉第杯阵列结构示意图。

图2本发明束流挡板和法拉第杯阵列在x-y平面示意图。

图3前置挡板阵列示意图。

图4法拉第杯在起始点时位置示意图。

图5测量束流水平角度示意图。

图6水平角度得到的测量值分布。

图7测量竖直角度示意图。

图8竖直角度测量数据示意图。

图9本发明各功能模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的介绍，但不作为对本发明的限定。

法拉第杯阵列是束流的探测装置，由若干法拉第杯在x轴方向等间距的排列，在y、z轴上法拉第杯的位置完全相同。法拉第杯的数量由具体情况确定，本发明以12个为例说明，但不限定法拉第杯的数量。法拉第杯阵列只能在x轴方向上运动，起始点是F1位于x1的位置，F2、F3…F12分别位于x2、x3…x12。法拉第杯之间的间隔相等，法拉第杯之间的间隔Δx(3)为法拉第杯阵列的运动周期，一般测量功能只需要运动一个运动周期即可(即F1运动到x2)。法拉第杯具有狭缝(15)，束流通过狭缝进入法拉第杯里。狭缝的高度(16)至少要大于束流的高度(62)。束流挡板(8)紧挨着狭缝的前面，可以用于挡住束流进入狭缝，且与法拉第杯之间有良好的绝缘。束流挡板呈条形，其长度(70)至少等于法拉第阵列的长度。束流挡板只能在y轴方向上下运动，束流挡板位于起始点(11)时不阻挡束流，当束流挡板上边缘刚好到达法拉第杯下边缘时为结束点(13)。前置挡板阵列(19)位于束流挡板和束流产生装置之间，前置挡板阵列由一系列前置挡板构成，本发明以10个前置挡板(D1、D2…D10)为例说明，但不限定前置挡板的数量。D1、D2…D10在x轴方向的位置对应于x2、x3…x11。前置挡板的长度(40)至少等于束流高度。前置挡板顶端由横杆连接，整个前置挡板阵列只能在y轴方向上下运动。前置挡板的运动起始点为前置挡板下边缘(18)刚好接触束流上边缘时，运动结束点为前置挡板下边缘刚好接触到束流下边缘时。

法拉第杯阵列中各法拉第杯在探测束流的特性上有细微的差别，在测量前，需要利用相等的束流对各法拉第杯进行校准。法拉第杯阵列运动Δx+p，由于测量时间很短，可以默认束流保持稳定不变。那么[F1，F2，F3…F12]中各法拉第杯的测量区间将会有重叠部分p，即F1，F2都测量了区间{x2，x2+p}中的束流值，F2，F3都测量了区间{x3，x3+p}中的束流值，依次类推。在[F1，F2，F3…F12]中选择法拉第杯F1为基准杯，F1和F2在区间{x₂，x₂+p}共同测量的点为[p1，p2，p3，…pm]，F1和F2在[p1，p2，p3，…pm]中各点测量值的比为[k_p1，k_p2，k_p3，…k_pm]，[k_p1，k_p2，k_p3，…k_pm]的平均值为K_1/2，称为K值。对所有区间的重叠部分做与以上相同的分析，得到K值数组[K_1/2，K_2/3，K_3/4…K_11/12]。由K值和相邻法拉第杯之间的校准公式Fn＝K_n/n-1*Fn+1得到：

F2：F1＝K_1/2*F2；

F3：F2＝K_2/3*F3；

F4：F3＝K_3/4*F4；

…

F12：F11＝K_11/12*F12；

经过迭代得到各法拉第杯与基准杯之间的校准公式：

F2：F1＝K_1/2*F2；

F3：F1＝K_1/2*K_2/3*F3；

F4：F1＝K_1/2*K_2/3*K_3/4*F4；

F5：F1＝K_1/2*K_2/3*K_3/4*K_4/5*F5

…

F12：F1＝K_1/2*K_2/3*K_3/4*K_4/5*K_5/6*K_6/7*K_7/8*K_8/9*K_9/10*K_10/11*K_11/12*F12

测量束流水平方向剖面信息不需要前置挡板和束流挡板的参与，前置挡板和束流挡板都位于起始点。法拉第杯阵列从x轴上的起始点开始运动，运动距离是一个运动周期，即Δx。该过程中控制器不断记录所有法拉第杯的束流值，法拉第杯F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12分别记录了x轴上的区间[x1，x2]、[x2，x3]、[x3，x4]、[x4，x5]、[x5，x6]、[x6，x7]、[x7，x8]、[x8，x9]、[x9，x10]、[x10，x11]、[x11，x12]、[x12，x13]里的束流值。把所有区间连起来就得到了束流的剖面信息，即区间[x1，x13]里的束流值。当测量的束流为带状束时，区间[x1，x13]的束流值就可以反应束流的均匀性。当测量的束流为斑点束时，要测量束流的均匀性，首先需要将斑点束扫开成带状束。在水平方向上的区间[x1，x2]内预先设定了一系列测量点，通过测量点的束流大小调节其对应的扫描斜率。当F1位于区间[x1，x2]内的某个测量点时，F2、F3等也相应位于对应区间内的相应测量点。法拉第杯阵列从起始点开始运动，F1每到达一个测量点暂停运动，控制器测量每个法拉第杯束流积分大小，积分时间为一个扫描周期，完成后开始向下一个测量点运动。当运动完一个运动周期，即F1到达x2后，停止测量，此时F2、F3…F12分别位于x3、x4…x13。

在测量带状束剖面信息时，利用区间[x1，x13]里[x2，x3…x11]这11个点对应的束流值也可对法拉第杯[F1，F2，F3…F12]进行等束流校准。当F1从x1运动到x2时，[F1，F2，F3…F12]中相邻法拉第杯对[x2，x3…x12]各点会进行2次测量，F1、F2各测量x2一次，F2、F3各测量x3一次，依次类推。以F1为基准杯。F1、F2在x2点的测量值之比为K_1/2。对[x2，x3…x12]各点测量值做相同的分析，得到K值数组[K_1/2，K_2/3，K_3/4…K_11/12]。再通过和测量前校准中相同的方法得到各法拉第杯与基准杯之间的校准公式。

测量束流竖直方向上的剖面信息，即束流密度分布，需要束流挡板和移动法拉第阵列的配合。前置挡板阵列不需要使用，位于起始点。束流当板的运动间隔由W/m确定，其中W(14)为束流挡板的宽度，m为正整数(如1、2、3…)。束流挡板的运动间隔决定了测量次数，m越大，测量次数越多，最终得到的束流剖面信息越完整。对于一个指定系统，m值有上限。

当只测量x-y平面内，x等于x1、x2、x3…x12各线上束流的密度分布束流密度分布时，法拉第阵列停在起始点不动。挡束流挡板从起始点向结束点运动，每运动W/m暂停运动，此时控制器测量F1、F2…F12各法拉第杯的束流值并记录。然后束流挡板再向下运动W/m。循环以上操作，直到束流挡板到达结束点后停止测量。每次测量时，束流挡板的位置构成位置数组：

{S₀，S₁，S₂，S₃，......，S_n-2，S_n-1，S_n}

对于某个法拉第杯，它每次测量构成测量值数组：

{C₀，C₁，C₂，C₃，......，C_n-2，C_n-1，C_n}

代求的束流平均密度数组为：

{B₀，B₁，B₂，B₃，......，B_n-2，B_n-1，B_n}，与位置数组一一对应。

通过束流密度迭代公式

和初始条件B_n＝0(n＜0)可解出束流密度数组。将每个法拉第杯测量的数据都用以上方法处理，可以得到在x1、x2、x3…x12各线上束流的密度分布。

当需要测量任意一点附近的束流密度平均值时，需要配合法拉第阵列的移动。在区间[x1，x2]内预先设立一系列测量点。法拉第阵列从起始点开始运动，每当法拉第杯F1到达一个测量点，便暂停运动。此时束流挡板从起始点开始运动，每运动W/m便暂停运动，控制器测量所有法拉第杯的束流值并记录，然后束流挡板继续运动。束流挡板到达结束点时，返回到起始点，同时法拉第阵列水平运动，使F1到达下一个测量点，并循环以上操作。每个测量点的数据处理方式和上文相同，经过处理可以得到束流密度的二维分布，束流密度信息更加全面。

测量各前置挡板位置束流水平方向的角度需要前置挡板和法拉第阵列的运动配合，不需要使用束流挡板，束流挡板停止起始点(27)。若束流产生装置是斑点束，需要扫成带状束。首先前置挡板阵列运动到结束点，当法拉第阵列位于起始点时，D1、D2…D10在x轴的位置等于F2、F3…F11在x轴的位置，例如21、22、23分别和24、25、26的位置相等。若束流的在水平方向的角度为0，那么各前置挡板刚好将法拉第杯的束流挡住。但束流往往不平行，如图5中所示，束流(28)将穿过束流挡板之间的空隙，束流(29)则会被束流挡板阻挡。法拉第阵列从起始点开始运动，各法拉第杯不断采集各自区间内不同位置的束流值，法拉第阵列移动一个运动周期(即F1到达x2点)后停止。控制器共得到12个区间内的采集值(与权利要求7中描述的一致)。将12个区间内的数据整合到一起将得到如图6所示的束流测量值分布。由于束流挡板D1、D2…D10的阻挡，测量值会出现降低到0的情况。30和31为测量最大值的一半，32，33为对应在x轴的位置，N1(29)为32和33的中心点。对D2、D3…D10的数据做同样的处理得到中心点，一共得到10个中心点[N1，N2…N10]。通过[x2，x3…x11]与[N1，N2…N10]对应元素差值，得到在D1、D2…D10位置束流水平方向的角度[A1，A1…A10]。

测量束流竖直方向角度需要前置挡板和束流挡板的运动配合。首先法拉第杯阵列水平运动，使F1到达(29)。在前置挡板的运动路径上设定多个垂直角度测量点(37、38、39)，前置挡板向下运动，每到达一个垂直角度测量点，便停止运动。此时束流挡板从测量点以上J处开始缓慢向下运动，控制器不断测量F1、F2、F3…F12这12个法拉第杯的束流值，当束流挡板运动到测量点以下S后停止(J和S根据实际情况取合适值)。前置挡板运动到下一个垂直角度测量点，并循环以上操作。分析整个过程得到的测量数据，法拉第杯阵列在x轴方向上组成一维数组{Fx}＝{F1，F2，F3…，F12}。在每个法拉第杯位置上，分布一维的竖直角度测量点数组，即{Cy}＝{T1，T2，T3…Ty}，测量点在x、y轴上构成的二维测量点数组{Tx，y}。每个测量点都会根据束流挡板的位置不断测量束流值，因此任意一个测量点数据Tx，y＝{B1，B2，B3…Bn}，其中Bn表示束流值。Tx，y中束流值分布类似与图(8)，其中的临界点是求解关键。最终可得二维束流垂直角度分布数组Ax，y，其中x表示12个法拉第杯对应于x轴上的位置，y表示各垂直角度测量点在y轴上的位置。二维测量点数组中，任意2个测量点之间的垂直方向平行度等于Ax，y中对应2个元素之差。平均角度等于数组A_x，y中所有元素的平均值。

控制器每完成一次测量功能后，将相关调节参数反馈给束流产生装置，以便调节束流，并将信息发送给上位机。

本发明专利的特定实施例已对本发明专利的内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明专利精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (16)

1.一种束流测量装置，该装置包括法拉第杯阵列，束流挡板，前置挡板阵列，束流挡板传动装置，前置挡板传动装置，控制器。

2.权利要求1中，其中法拉第杯阵列包括：法拉第杯的数量根据具体情况确定，此处以12个举例说明，但不对数量作限定，12个几何尺寸和材料等性质完全一样的法拉第杯在x轴上等间隔排列，在y、z轴上的位置完全一致。

3.权利要求1中，其中前置挡板阵列包括：前置挡板阵列中挡板数量与法拉第杯阵列中法拉第杯数量相等，前置挡板在x轴上等间隔排列，间隔大小与法拉第杯之间的间隔相等，所有前置挡板的上端与横杆固定，在前置挡板传动装置的带动下，整个前置挡板阵列一起在竖直方向上移动。

4.权利要求1中，其中束流挡板包括：束流挡板整个呈条形，其x方向长度至少等于法拉第阵列在x方向的长度，其宽度由实际装置确定取合适值。束流挡板紧挨着法拉第阵列，但是与它有良好的绝缘，在束流挡板传动装置的带动下，束流挡板可以在竖直方向上下运动。

5.一种用于在离子注入系统中，束流的测量方法，该方法包括：法拉第杯阵列在水平方向移动，测量斑点束或带状束的水平方向的剖面信息，以及斑点束的水平方向的均匀性；通过束流挡板对束流的阻挡，测量x-y平面内，x等于x1、x2、x3…x12各线上束流的密度分布，配合法拉第杯阵列的运动，测量束流密度的二维分布；通过前置挡板阵列对束流的阻挡，测量各前置挡板位置束流水平方向的角度；通过前置挡板和束流挡板的配合运动，测量各前置挡板位置束流垂直方向角度分布，计算垂直方向平行度。

6.法拉第阵列运动的起始点和运动周期：法拉第杯阵列只能在x方向运动，以法拉第杯F1的位置确定法拉第杯阵列的位置，法拉第杯F1位于x1时为法拉第杯阵列的起始点。法拉第杯之间的间隔都相等，为Δx，即法拉第杯阵列的运动周期为Δx。

7.权利要求5中，其中测量斑点束或带状束的水平方向的剖面信息包括：法拉第杯阵列从起始点开始运动一个运动周期，该过程中控制器不断记录所有法拉第杯的束流值，法拉第杯F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12分别记录了x轴上的区间[x1，x2]、[x2，x3]、[x3，x4]、[x4，x5]、[x5，x6]、[x6，x7]、[x7，x8]、[x8，x9]、[x9，x10]、[x10，x11]、[x11，x12]、[x12，x13]里的束流值，把所有区间连起来就得到了束流的剖面信息，即区间[x1，x13]里的值。

8.权利要求5中，测量斑点束的水平方向的均匀性包括：将斑点在水平方向扫开，在区间[x1，x2]内预先设定了一系列测量点，当F1位于区间[x1，x2]内的某个测量点时，F2、F3等也相应位于对应区间内的相应测量点，法拉第杯阵列从起始点开始运动，F1每到达一个测量点暂停运动，控制器测量每个法拉第杯束流积分大小，积分时间为一个扫描周期，完成后开始向下一个测量点运动。

9.在测量前对法拉第阵列中所有法拉第杯进行校准，法拉第杯阵列运动Δx+p，选择法拉第杯F1为基准杯，F1和F2在区间{x₂，x₂+p}共同测量的点为[p1，p2，p3，…pm]，F1和F2在[p1，p2，p3，…pm]中各点测量值的比为[k_p1，k_p2，k_p3，…k_pm]，[k_p1，k_p2，k_p3，…k_pm]的平均值为K_1/2，称为K值，对所有区间的重叠部分做与以上相同的分析，得到K值数组[K_1/2，K_2/3，K_3/4…K_11/12]，由K值和相邻法拉第杯之间的校准公式Fn＝K_n/n-1*Fn+1进行迭代得到各法拉第杯与基准杯之间的校准公式。

10.测量带状束剖面和斑点束均匀性后(斑点束扫成带状束)，利用区间[x1，x13]里[x2，x3…x11]这11个点对应的束流值对法拉第杯[F1，F2，F3…F12]进行等束流校准，当F1从x1运动到x2时，[F1，F2，F3…F12]中相邻法拉第杯对[x2，x3…x12]各点会进行2次测量，通过2次测量的差值对法拉第杯阵列中的所有法拉第杯校准。

11.权利要求5中，测量各线上束流密度分布包括：前置挡板阵列和法拉第杯阵列停在各自起始点不动，束流挡板的运动间隔由W/m确定，其中W为束流挡板的宽度，m为正整数(如1、2、3…)，束流挡板从起始点向结束点运动，每运动W/m暂停运动，此时控制器测量所有法拉第杯的束流值并记录，然后束流挡板再向下运动W/m，并测量束流值，直到束流挡板到达结束点后停止测量，控制器根据各点的束流测量值，通过束流密度迭代公式得出束流在各测量点附近的平均束流密度。

12.权利要求5中，测量束流密度的二维分布包括：本发明可以测量二维坐标中任意一点附近的束流密度平均值，得到束流密度的二维分布，前置挡板阵列保持在起始点不动，在区间[x1，x2]内预先设立一系列测量点，法拉第阵列从起始点开始运动，每当法拉第杯F1到达一个测量点，便暂停运动，此时束流挡板从起始点开始运动，每运动W/m便暂停运动，控制器测量所有法拉第杯的束流值并记录，然后束流挡板继续运动，束流挡板到达结束点时，返回到起始点，同时法拉第阵列水平运动，使F1到达下一个测量点，并循环以上操作，将所有测量数据通过束流密度迭代公式得到束流平均密度，再对应到二维坐标上。

13.权利要求5中，测量各前置挡板位置束流水平方向的角度包括：束流挡板停在起始点不动，前置挡板阵列运动到结束点，法拉第阵列从起始点开始运动，各法拉第杯不断采集各自区间内不同位置的束流值，法拉第阵列移动一个运动周期后停止，控制器共得到12个区间内的采集值。

14.权利要求5中，测量各线上垂直方向角度包括：法拉第阵列水平运动，使F1到达(29)，在前置挡板的运动路径上设定多个垂直角度测量点，前置挡板向下运动，每到达一个垂直角度测量点，便停止运动，此时束流挡板从测量点以上J处开始缓慢向下运动，控制器不断测量F1、F2、F3…F12这12个法拉第杯的束流值，当束流挡板运动到测量点以下S后停止，前置挡板运动到下一个垂直角度测量点，并循环以上操作，分析整个过程得到的测量数据，可以得出各测量点的束流垂直方向角度大小。

15.权利要求12中，分析整个过程得到的测量数据包括：法拉第杯阵列在x轴方向上组成一维数组{Fx}＝{F1，F2，F3…，F12}，在每个法拉第杯位置上，分布一维的竖直角度测量点数组，即{Cy}＝{T1，T2，T3…Ty}，测量点在x、y轴上构成的二维测量点数组{Tx，y}，当前置挡板到达每个测量点时，控制器会根据束流挡板的位置测量一组束流值，因此任意一个测量点将得到一组数据T_x，y＝{B₁，B₂，B₃…B_n}，其中B_n表示束流值，T_x，y中束流值分布类似与图(8)，其中的临界点是求解关键，最终可得二维束流垂直角度分布数组A_x，y，其中x表示12个法拉第杯对应于x轴上的位置，y表示各垂直角度测量点在y轴上的位置。

16.权利要求5中，计算垂直方向平行度和平均角度包括：二维测量点数组中，任意2个测量点之间的垂直方向平行度等于数组A_x，y中对应2个元素之差，平均角度等于数组A_x，y中所有元素的平均值。

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