CN111830553A - 离子束均匀度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离子束均匀度检测装置及检测方法，所述离子束均匀度检测装置包括离子分束电流采样单元和分析计算单元，离子分束电流采样单元用于接收离子束，并获得离子束内多个位置的离子分束电流；分析计算单元根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。通过对多个位置的离子分束电流的分析，可以实时、精准的获知离子束的均匀度情况，及时调整离子植入机台以优化离子束，从而避免因离子束均匀度不好而导致的产品报废的问题，提高了产品良率。

Description

离子束均匀度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种离子束均匀度检测装置及检测方法。

背景技术

随着半导体集成电路制造工艺越来越微细化，对半导体制造设备的性能要求也就越来越高。离子束注入机是半导体器件制造中最关键的掺杂设备之一，当器件制造工艺迈入特征尺寸90nm以下，晶圆尺寸300mm时代，为了保证整个晶圆上器件性能的一致性，必须对离子注入掺杂工艺中对整个晶圆维持掺杂分布的均匀性有更高的要求。因此，实时并精确检测离子注入束斑的形状和均匀性分布变得更加重要。

目前的离子束均匀度的检测方式为：在整合晶圆进行离子注入之前，通过采用移动法拉第进行离子束检测并通过积分计算结果得到离子束的分布情况。但是，由于该方法是模拟估算离子束均匀度，因此，该方法的结果存在一定误差，若在离子束注入过程中，离子束均匀度不好会直接导致产品良率的降低，严重情况导致整盒晶圆报废。

针对上述问题，为了及时准确的发现离子束均匀度的情况，提出一种可实现对离子束均匀度的实时检测装置成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子束均匀度检测装置及检测方法，以解决使用现有技术中离子束均匀度检测方法不具有实时性，无法及时发现离子束均匀度不好的情况，导致产品良率下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种离子束均匀度检测装置，包括：

离子分束电流采样单元，用于接收离子束，并获得所述离子束内多个位置的离子分束电流；

分析计算单元，用于根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。

可选的，所述离子分束电流采样单元包括：

过滤单元，所述过滤单元包括一盘体及开设于所述盘体上的若干个通孔，每个所述通孔开设的位置及孔径根据阿基米德螺线公式计算获得；

控制单元，用于驱动所述过滤单元转动；

接收单元，用于接收所述过滤单元上通过若干个通孔的离子分束，以获得所述离子束内多个位置的离子分束电流。

可选的，所述盘体为一石墨圆盘，若干个通孔开设在所述石墨圆盘上。

可选的，所述石墨圆盘上开设的通孔的数量至少为6个。

可选的，所述过滤单元的表面垂直于所述离子束的发射方向，且所述控制单元控制所述过滤单元绕所述离子束的发射方向匀速转动。

可选的，所述分析计算单元包括：

电流电压转换模块，用于将所述离子分束电流的模拟信号转换为离子分束电压的模拟信号；

模数转换模块，用于将所述离子分束电压的模拟信号转换为离子分束电压的数字信号；

计算模块，用于比较相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值与一预定阈值的关系，以判断出所述离子束均匀度是否满足控制要求。

可选的，当相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值大于所述预定阈值时，所述离子束均匀度不满足控制要求；当相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值小于等于所述预定阈值时，所述离子束均匀度满足控制要求。

本发明还提供了一种离子束均匀度检测方法，包括如下步骤：

提供所述离子束均匀度检测装置；

所述离子分束电流采样单元接收离子束，并获得所述离子束内多个位置的离子分束电流；

所述分析计算单元根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。

可选的，所述离子分束电流采样单元包括过滤单元、控制单元及接收单元，获得所述离子束内多个位置的离子分束电流包括：

将所述过滤单元设置于所述离子束中，使所述离子束的发射方向垂直于所述过滤单元表面；

所述控制单元驱动所述过滤单元绕所述离子束的发射方向匀速旋转；

所述接收单元接收从所述过滤单元上若干个通孔通过的离子分束，并获得各离子分束的离子分束电流。

可选的，所述离子分束电流采样单元在所述离子束内的每个位置的采样时间均相同，相邻两个位置的采样间隔均相同。

可选的，所述分析计算单元包括：电流电压转换模块、模数转换模块及计算模块，根据多个位置离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求包括：

所述电流电压转换模块将所述离子分束电流的模拟信号转换为离子分束电压的模拟信号；

所述模数转换模块将所述离子分束电压的模拟信号转换为离子分束电压的数字信号；

所述计算模块比较相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值与一预定阈值的关系，以判断出所述离子束均匀度是否满足控制要求。

在本发明所提供的离子束均匀度检测装置及检测方法中，所述离子束均匀度检测装置包括离子分束电流采样单元和分析计算单元，离子分束电流采样单元用于接收离子束，并获得离子束内多个位置的离子分束电流；分析计算单元根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。通过对多个位置的离子分束电流的分析，可以实时、精准的获知离子束的均匀度情况，及时调整离子植入机台以优化离子束，从而避免因离子束均匀度不好而导致的产品报废的问题，提高了产品良率。

附图说明

图1是本发明一实施例中离子束均匀度检测装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例中离子束均匀度检测装置的应用时的流程图；

图3是本发明一实施例中开设有6个孔的石墨圆盘的结构示意图；

图4是采用如图3所示的石墨圆盘进行采样时的采样波形图；

图5是本发明一实施例中获取离子分束电流的原理图；

图6是本发明一实施例中离子分束均匀度的一致性判断的程序流程图；

图7是本发明一实施例中分析计算单元的结构框图；

图8是本发明一实施例中电流电压转换模块的电路图；

图9是本发明一实施例中模拟数字转换模块的电路图；

图10是本发明一实施例中计算模块的电路图；

图中：离子束-1；离子分束电流采样单元-2；分析计算单元-3；电流电压转换模块-30；模数转换模块-31；计算模块-32。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的离子束均匀度检测装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，其为本发明的离子束均匀度检测装置的结构示意图，如图1所示，所述离子束均匀度检测装置包括：离子分束电流采样单元2和分析计算单元3，所述离子分束电流采样单元2用于接收离子束1，并获得离子束1内多个位置的离子分束电流；所述分析计算单元3用于根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。

进一步地，所述离子分束电流采样单元2包括：过滤单元、接收单元和控制单元，所述控制单元用于驱动所述过滤单元转动，所述过滤单元上开设有若干通孔，所述若干通孔开设的位置及孔径根据阿基米德螺线公式计算获得；所述接收单元用于接收所述过滤单元上各个通孔的离子分束，以获得所述离子束1内多个位置的离子分束电流。

为了确保离子注入设备注入的离子束的均匀度，在离子注入设备工作过程中，使用本发明的离子束均匀度检测装置加以改善，具体过程请参考图1及图2进行理解。具体的，首先，将离子束均匀度检测装置需要设置于离子束的路径中，在控制单元的驱动下过滤单元绕离子束发射的方向匀速旋转的状态设置于离子束中，并且所述离子束1的发射方向垂直于所述过滤单元的表面，在控制系统的控制下初始化离子束均匀度检测装置，其初始化目的为：将离子分束电流采样单元中过滤单元上的预定孔的位置调整到可最先接收到离子分束，以便在过滤单元选择过程中，各个通孔可以获得离子束内多个位置的离子分束电流。接着，判断当前时刻是否存在离子束注入，如存在，则可以开启离子束均匀度检测装置进行离子束均匀度的检测，此时过滤单元的转速优选为100r/min；反之，直至离子束开始注入再进行离子束均匀度的检测；在离子束均匀度检测装置检测获知离子束均匀度的结果后，判断离子束均匀度是否满足控制要求，如满足控制要求，则无需优化离子束，继续离子束注入工作；如未满足控制要求，则表明离子束均匀度不好，此时中断离子束注入，对离子束进行重新优化，从而较好避免均匀度不满足控制要求的离子束对产品良率造成的影响，可选的，控制要求可以根据实际需要形成的器件进行调整，若器件精度要求高，离子束均匀度要求也高，反之，器件精度要求低，离子束均匀度要求也低。

请参考图3及图4，本实施中过滤单元包括一盘体及设置于所述盘体上的若干个通孔，所述盘体优选为一石墨圆盘，若干通孔开设在所述石墨圆盘上。本实施例中通孔的数量为6个，6个通孔在所述石墨圆盘开设的位置分别为图3中P1、P2、P3、P4、P5、P6所在的位置。图3中的石墨圆盘在初始化时，预定孔为P1。

为了较好的理解过滤单元，下面以过滤单元为一半径为15cm石墨圆盘，开设通孔数量为6个为例进行详细阐述。开通孔之前，首先通过阿基米德螺线公式计算开设6个通孔的具体位置及孔径，以保证6个通孔在同一时间不会在同一点交汇。这里，由于6个通孔的位置在石墨圆盘的不同位置，每个位置处的线速度不同(越靠近石墨圆盘的边缘位置的线速度越大)，6个通孔需要使用不同半径，以保证相同的采样时间。

6个通孔的具体位置及孔径的计算过程如下：

I.根据阿基米德螺线公式：r＝b*θ(其中，b是阿基米德螺线系数，θ是每个孔的圆心的极角，即至每个孔的圆心处阿基米德螺线转过的总度数)可计算出6个通孔到石墨圆盘圆心的距离：

r1＝1.59cm；r2＝3.9cm；r3＝6.15cm；r4＝8.28cm；r5＝10.56cm；r6＝12.72cm；

其中，r1为通孔P1到石墨圆盘圆心的距离，r2为通孔P2到石墨圆盘圆心的距离，r3为通孔P3到石墨圆盘圆心的距离，r4为通孔P4到石墨圆盘圆心的距离，r5为通孔P5到石墨圆盘圆心的距离，r6为通孔P6到石墨圆盘圆心的距离。

II.根据公式导出6个通孔的半径(保证6个通孔的采样时间T相同)：

线速度＝角速度*半径→采样时间T＝孔直径/线速度→采样时间T＝孔直径/角速度*半径→采样时间T＝孔直径/1.667*半径；

首先规定设计孔P1的半径R₁₁＝0.2cm；则：T＝0.024s；

通孔P2的半径R₁₂＝0.49cm；

通孔P3的半径R₁₃＝＝0.77cm；

通孔P4的半径R₁₄＝1.04cm；

通孔P5的半径R₁₅＝1.33cm；

通孔P6的半径R₁₆＝1.6cm。

III.采样时间计算：

因为6个通孔的采样时间相等：t1＝t2＝t3＝t4＝t5＝t6＝T＝0.024s＝24ms；

t1为通孔P1的采样时间，t2为孔P2的采样时间，t3为通孔P3的采样时间，t4为通孔P4的采样时间，t5为通孔P5的采样时间，t6为通孔P6的采样时间；

6个通孔的采样间隔时间：

所述石墨圆盘的速度为100r/min，则石墨圆盘旋转一周需要600ms，而6个通孔的采样间隔时间相等：h1＝h2＝h3＝h4＝h5＝h6＝0.076ms＝76ms(如图4所示)。

IV.边距计算

通孔P6到圆心的距离为12.72cm，孔P6的半径R₁₆＝1.6cm，所以孔P6到圆边距的距离L＝15-12.72-1.6＝0.68cm，因此6个通孔均可开在石墨圆盘上，且边距足够，设计符合要求，若采用上述方法计算出的最后一个通孔到圆边距的距离大于了石墨圆盘的半径，则6个通孔无法全部开在石墨圆盘上，需要重新调整通孔P1(即设计孔)的位置和孔径。

对于所述过滤单元上开设的通孔的数量包括但不局限于6个，只要开设的通孔的数量足够为离子束均匀度的检查所需数据的需求即可，优选为至少6个。

请参考图5，其为本实施例中获取离子分束电流的原理图。如图5所示，所述接收单元包括一磁场及感应器，离子束注入过程中，离子束进入所述磁场中，由于离子束由带电的离子构成，例如由带正电的正电荷构成，而所述接收单元磁场及感应器形成了通路，正离子进入所述磁场中时，可以在感应器中感应出负电荷，进入磁场的正电荷有多少就能够在感应器中感应出相应数量的负电荷，以形成电流，因此，可以通过检测通路中的电流来获知离子分束电流大小。

请参考图7，其为本实施例中分析计算单元的结构框图。如图7所示，所述分析计算单元3包括依次连接的电流电压转换模块30、模数转换模块31及计算模块32；所述电流电压转换模块30用于将离子分束电流的模拟信号转换为离子分束电压的模拟信号；所述模数转换模块31用于将离子分束电压的模拟信号转换为离子分束电压的数字信号；所述计算模块32用于比较相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值与一预定阈值的关系，以判断出所述离子束均匀度是否满足控制要求。优选的，所述计算模块32为单片机。

具体的，图8是本发明一实施例中电流电压转换模块的电路图；图8中电流电压转换模块30的电路图的设计以离子束注入设备为Varian 810系列机台为例，图8中，所述接收单元将各位置处的离子分束电流循环的从所述电流电压转换模块30的电流输入口I输入，所述电流电压转换模块30依次将离子分束电压从其电压输出口V输出，其中，R1、R2、R3、R4、R5表示电阻，U1表示电流电压转换器，C1表示电容。由于该机台通常的情况下发射的离子分束电流不会不会超过10mA，若取R3＝100KΩ，R4＝150KΩ，R1＝200Ω，则0～10mA输入对应于0～5V的电压输出。由于所述离子分束电流及离子分束电压均为模拟信号，位于便于比较，还需要将所述离子分束电压的模拟信号转换为数字信号。

图9是本发明一实施例中模拟数字转换模块的电路图。图9中的模数转换模块31选择ADC0804作为处理芯片，ADC0804是一款8位、单通道、低价格的转换器，主要特点是：方便的TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；内含时钟发生器；单电源工作时(0～5)V输入电压范围是0～5V；不需要调零等，模数转换时间大约100us；满足本设计的精度与采样频率要求。图9中，所述电流电压转换模块30的输出口V向所述模拟数字转换模块31的输入口VIN输入离子分束电压的模拟信号，再从所述模拟数字转换模块31的输出口DB0-DB7输出所述离子分束电压的数字信号，其中，R5、R6、R7表示电阻，C2表示电容，ADC0804芯片上的字母均为定义的引脚，ADC0804芯片此处不做过多赘述。

图10是本发明一实施例中计算模块的电路图。图10中计算模块32选用80C51系列单片机，能够在满足设计需求的情况下节约成本，所述计算模块32中的DBO-DB7接口、INTR接口(时钟)、WR/RO接口(读写)均与所述与模拟数字转换模块31相应的接口连接，其他模块接口连接定义请参考图10中AT89C52芯片各个引脚的名称，此处不做过多赘述。

为了较直观的获取离子束均匀度是否满足控制要求，从而采取相应措施。本实施通过在所述计算模块32中设置所述预定阈值，以判断所述离子束均匀度是否满足控制要求，这里是通过比较相邻两个位置的离子分束电压的数字信号的差值与所述预定阈值的关系作为判断标准，例如：P1与P2位置处的离子分束电压的数字信号的差值若大于所述预定阈值，则所述离子束均匀度不满足控制要求，P1与P2位置处的离子分束电压的数字信号的差值若小于等于所述预定阈值，则所述离子束均匀度满足控制要求，但这只是在这一时刻所述离子束均匀度满足控制要求，所述过滤单元在不停的旋转，下一时刻，可以通过比较P2与P3位置处的离子分束电压的数字信号的差值与所述预定阈值的关系，再下一时刻比较P3与P4位置处的离子分束电压的数字信号的差值与所述预定阈值的关系……以此循环，以实时精准的获知离子束的均匀度情况。

所述计算单元2的具体判断过程可以参考图6，首先所述电流电压转换模块30将所述离子分束电流的模拟信号转换为离子分束电压的模拟信号，然后所述模数转换模块31以70ms间隔频率对离子束进行采样以将所述离子分束电压的模拟信号转换为离子分束电压的数字信号；所述计算模块33开始分析采样结果，即通过比较相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值与所述预定阈值的关系，以判断出所述离子束均匀度是否满足控制要求，若所述离子束均匀度不满足控制要求，可以输出报警脉冲，停止离子注入，防止不良品产生。本实施例中，所述将预定阈值设定为10％。

对应图6的源程序如下：

针对上述离子束均匀度检测装置，在另一实施例中，本发明还提供了一种离子束均匀度检测方法，具体包括如下步骤：

S1：所述离子分束电流采样单元接收离子束，并获得离子束内多个位置的离子分束电流；其中，所述离子分束电流采样单元在所述离子束内的每个位置的采样时间均相同，相邻两个位置的采样间隔均相同。

S1具体包括如下步骤：

S11：将过滤单元设置于所述离子束中，使所述离子束的发射方向垂直于所述过滤单元表面；

S12：所述控制单元驱动所述过滤单元绕所述离子束的发射方向匀速旋转；

S13：所述接收单元接收从所述过滤单元上若干个通孔通过的离子分束，并获得各离子分束的离子分束电流。

S2：所述分析计算单元根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求，其中，S2具体包括如下步骤：

S21：所述电流电压转换模块将离子分束电流的模拟信号转换为离子分束电压的模拟信号；

S22：所述模数转换模块将离子分束电压的模拟信号转换为离子分束电压的数字信号；

S23：所述计算模块比较相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值与一预定阈值的关系，以判断出所述离子束均匀度是否满足控制要求。

综上，在本发明所提供的离子束均匀度检测装置及检测方法中，所述离子束均匀度检测装置包括离子分束电流采样单元和分析计算单元，离子分束电流采样单元用于接收离子束，并获得离子束内多个位置的离子分束电流；分析计算单元根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。通过对多个位置的离子分束电流的分析，可以实时、精准的获知离子束的均匀度情况，及时调整离子植入机台以优化离子束，从而避免因离子束均匀度不好而导致的产品报废的问题，提高了产品良率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种离子束均匀度检测装置，其特征在于，包括：

离子分束电流采样单元，用于接收离子束，并获得所述离子束内多个位置的离子分束电流；

分析计算单元，用于根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。

2.如权利要求1所述的离子束均匀度检测装置，其特征在于，所述离子分束电流采样单元包括：

过滤单元，所述过滤单元包括一盘体及开设于所述盘体上的若干个通孔，每个所述通孔开设的位置及孔径根据阿基米德螺线公式计算获得；

控制单元，用于驱动所述过滤单元转动；

接收单元，用于接收所述过滤单元上通过若干个通孔的离子分束，以获得所述离子束内多个位置的离子分束电流。

3.如权利要求2所述的离子束均匀度检测装置，其特征在于，所述盘体为一石墨圆盘，若干个通孔开设在所述石墨圆盘上。

4.如权利要求3所述的离子束均匀度检测装置，其特征在于，所述石墨圆盘上开设的通孔的数量至少为6个。

5.如权利要求2所述的离子束均匀度检测装置，其特征在于，所述过滤单元的表面垂直于所述离子束的发射方向，且所述控制单元控制所述过滤单元绕所述离子束的发射方向匀速转动。

6.如权利要求1所述的离子束均匀度检测装置，其特征在于，所述分析计算单元包括：

电流电压转换模块，用于将所述离子分束电流的模拟信号转换为离子分束电压的模拟信号；

模数转换模块，用于将所述离子分束电压的模拟信号转换为离子分束电压的数字信号；

计算模块，用于比较相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值与一预定阈值的关系，以判断出所述离子束均匀度是否满足控制要求。

7.如权利要求6所述的离子束均匀度检测装置，其特征在于，当相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值大于所述预定阈值时，所述离子束均匀度不满足控制要求；当相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值小于等于所述预定阈值时，所述离子束均匀度满足控制要求。

8.一种离子束均匀度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供如权利要求1-7中任一项所述的离子束均匀度检测装置；

所述离子分束电流采样单元接收离子束，并获得所述离子束内多个位置的离子分束电流；

所述分析计算单元根据多个位置的离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求。

9.如权利要求8所述的离子束均匀度检测方法，其特征在于，所述离子分束电流采样单元包括过滤单元、控制单元及接收单元，获得所述离子束内多个位置的离子分束电流包括：

将所述过滤单元设置于所述离子束中，使所述离子束的发射方向垂直于所述过滤单元表面；

所述控制单元驱动所述过滤单元绕所述离子束的发射方向匀速旋转；

所述接收单元接收从所述过滤单元上若干个通孔通过的离子分束，并获得各离子分束的离子分束电流。

10.如权利要求9所述的离子束均匀度检测方法，其特征在于，所述离子分束电流采样单元在所述离子束内的每个位置的采样时间均相同，相邻两个位置的采样间隔均相同。

11.如权利要求10所述的离子束均匀度检测方法，其特征在于，所述分析计算单元包括：电流电压转换模块、模数转换模块及计算模块，根据多个位置离子分束电流得到所述离子束均匀度是否满足控制要求包括：

所述电流电压转换模块将所述离子分束电流的模拟信号转换为离子分束电压的模拟信号；

所述模数转换模块将所述离子分束电压的模拟信号转换为离子分束电压的数字信号；

所述计算模块比较相邻两位置的离子分束电压的数字信号的差值与一预定阈值的关系，以判断出所述离子束均匀度是否满足控制要求。

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