束流注入均匀性的控制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种控制方法和控制系统，特别涉及一种提高束流均匀性的控制方法和控制系统。


背景技术：

2.在半导体的掺杂工艺中，随着衬底(硅片)的尺寸越来越大，用于实施离子注入的束流也从原先的束斑形态发展到了如今的带状束流(ribbon beam)，即在一个方向上(束流长边)有着例如150mm-500mm的长度，在另一垂直方向(束流短边)上有着例如5mm-10mm左右的宽度。
3.与束斑形态的离子束流不同的是，对于使用带状束流的离子注入设备来说，靶载体(例如带有静电吸盘的机械手)可以不用执行二维扫描，而是仅在束流的短边方向上一维扫描使得衬底穿过束流即可完成衬底全部范围的注入，这无疑简化了靶载体的机械扫描操作，也降低了对靶载体的机械设计的复杂度。
4.然而，对于使用较大尺寸(例如500mm甚至以上)的带状束流来说，无疑对束流本身的均匀性提出了较高的要求，即如果束流在长边方向上分布不均匀，有的位置束流密度大，而其他位置束流密度较小，而束流长边方向又覆盖了衬底的尺寸(例如圆形硅片的直径)，那么沿着短边方向的一维扫描的结果会造成衬底注入的不均匀，这种不均匀与束流在长边方向上的分布不均呈一致的分布。
5.为了解决这种不均匀性，业内提出了多次注入的方式，在完成一次注入之后，旋转靶载体以旋转衬底，通过多次旋转衬底来弥补这种不均匀。例如对于中间密度高、两端密度低的束流来说，第一注入完成之后，衬底的中部具有较高的剂量，而衬底的两端剂量较低，那么通过多次旋转衬底，来缩小两端的剂量和中部的剂量的差异，从而提高整体的均匀性。
6.但是，对于大尺寸(长边方向上长度覆盖衬底直径)的束流来说，目前的扫描方式是每次执行的都是沿着短边方向的匀速扫描，一旦束流在长边方向上有密度分布的差异，这种差异通过匀速扫描是不会消失的，即使经历了多次旋转，衬底注入的不均匀性依然严重。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中大尺寸带状束流的束流密度分布不均会造成衬底的注入剂量不均匀的缺陷，提供一种束流注入均匀性的控制方法。
8.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
9.一种束流注入均匀性的控制方法，其特点在于，包括以下步骤：
10.s1：测量二维束流的密度分布f(x,y)，并且将二维束流的密度分布f(x,y)沿x轴积分得到一维束流的密度分布f(y)，其中，x轴为二维束流的短边方向，y轴为二维束流的长边方向；
11.s2：根据一维束流的平均密度和需要的注入剂量，确定靶载体匀速执行机械扫描
的第一速度和扫描次数；
12.s3：根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的机械扫描范围，以及根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的扫描平面中x方向上每个扫描位置与第二速度的关系，所述第二速度是可变的，例如第二速度的改变相应于一维束流的密度分布f(y)；
13.s4：结合步骤s2和步骤s3所确定的第一速度和第二速度计算靶载体在扫描范围内x方向上的不同位置的实际扫描速度；
14.s5：靶载体驱动靶以步骤s4确定的实际扫描速度扫描以使得束流注入至靶中直至完成机械扫描范围内的扫描；
15.s6：判断是否执行了步骤s2中确定的扫描次数，若是，结束扫描；若否，使靶载体围绕其中心旋转预设角度，返回步骤s5。
16.在该技术方案中，采用多次且变速扫描的方式，对于每一次的扫描，采用与束流密度分布相应的速度分布以在束流短边方向上移动靶，且每执行了一次注入之后，旋转靶载体以改变靶(例如硅片)的方向，通过构建束流密度分布和扫描速度分布之间的关系，来弥补束流的不均匀对靶注入剂量的影响，最终获得均匀性大大提高的注入结果。
17.优选地，步骤s2中通过以下方式确定第一速度：v1＝n
×
i/(d
×
1.6e19),其中n为扫描次数，d为剂量，i为束流的一维分布的平均密度。
18.优选地，其中根据靶载体的运动能力、一维束流的密度分布f(y)、和剂量来确定扫描次数。扫描次数n的选取会受到一些限制，如靶载体的运动机构的限制，运动机构的速度是有上下限的，n的选取要使得第一速度v1在运动机构的工作范围内。还有工艺的要求，有些工艺要求对硅片进行旋转若干次，n要能够满足该需求。通常旋转次数增加，均匀性会越好，但会趋向饱和，n在一定次数后，再增加几乎没有影响，这也与束流密度的分布形态有关。
19.优选地，步骤s3中通过以下方式确定第二速度：v2＝v1
×
f(r(x)),r是以硅片中心为圆心逆时针旋转90
°
的操作以将x轴映射到y轴。
20.优选地，步骤s1中通过缝状法拉第杯或者多孔结构的法拉第杯来测量二维束流的密度分布f(x,y)。
21.优选地，机械扫描范围为束流的长边方向尺寸加上靶的特征长度。
22.优选地，机械扫描次数为4n，n为正整数。
23.优选地，预设角度为360
°
/扫描次数。
24.优选地，在机械扫描范围内实际扫描速度与扫描位置的关系正比于一维束流的密度分布，扫描速度分布的平均值回归到一。归一化计算是指实际扫描速度除以实际扫描速度的平均值。
25.优选地，不同位置的实际扫描速度为步骤s2所计算的第一速度乘以归一化的扫描速度所得。
26.优选地，不同位置的实际扫描速度与第一速度的差值正比于该位置对应的一维束流分布与一维束流均值的差值，再乘以束流沿扫描方向分布所确定的一个修正值。
27.优选地，对于与扫描方向垂直的束流分布近似于周期函数、沿扫描方向的分布是高斯分布的束流，修正值为扫描方向x分布的半宽度除以y方向分布一个周期的宽度。
28.本发明还提供一种束流注入均匀性的控制系统，其特点在于，包括：
29.束流分布测量单元，用于测量二维束流的密度分布f(x,y)，并且将二维束流的密度分布f(x,y)沿x轴积分得到一维束流的密度分布f(y)，其中，x轴为二维束流的短边方向，y轴为二维束流的长边方向；
30.第一计算单元，用于根据一维束流的平均密度和需要的注入剂量，确定靶载体匀速执行机械扫描的第一速度和扫描次数；
31.第二计算单元，用于根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的机械扫描范围，以及根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的扫描平面中x方向上每个扫描位置与一可变的第二速度的关系；
32.扫描速度确定单元，用于根据第一计算单元和第二计算单元所确定的第一速度和第二速度计算靶载体在扫描范围内x方向上的不同位置的实际扫描速度；
33.靶载体驱动单元，用于驱动靶以扫描速度确定单元确定的实际扫描速度扫描以使得束流注入至靶中直至完成机械扫描范围内的扫描；
34.控制单元，用于判断是否执行了第一计算单元所确定的扫描次数，若是，控制靶载体驱动单元结束扫描；若否，控制靶载体驱动单元使靶载体围绕其中心旋转预设角度以再次扫描。
35.优选地，第一计算单元用于通过以下方式确定第一速度：v1＝n
×
i/(d
×
1.6e19),其中n为扫描次数，d为剂量，i为束流的一维分布的平均密度。
36.优选地，第一计算单元用于根据靶载体的运动能力、一维束流的密度分布f(y)、和剂量来确定扫描次数。
37.优选地，第二计算单元用于通过以下方式确定第二速度：v2＝v1
×
f(r(x)),r是以硅片中心为圆心逆时针旋转90
°
的操作以将x轴映射到y轴。
38.优选地，束流分布测量单元包括用于测量二维束流的密度分布f(x,y)的缝状法拉第杯或者多孔结构的法拉第杯。
39.优选地，机械扫描范围为束流的长边方向尺寸加上靶的特征长度。
40.优选地，机械扫描次数为4n，n为正整数。
41.优选地，预设角度为360
°
/扫描次数。
42.优选地，在机械扫描范围内实际扫描速度与扫描位置的关系正比于一维束流的密度分布，扫描速度分布的平均值回归到一。
43.优选地，其中，不同位置的实际扫描速度为第一速度乘以归一化的扫描速度所得。
44.优选地，不同位置的实际扫描速度与第一速度的差值正比于该位置对应的一维束流分布与一维束流均值的差值，再乘以束流沿扫描方向分布所确定的一个修正值。
45.优选地，对于与扫描方向垂直的束流分布近似于周期函数、沿扫描方向的分布是高斯分布的束流，修正值为扫描方向x分布的半宽度除以y方向分布一个周期的宽度。
46.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
47.本发明的积极进步效果在于：对于束流密度分布不均匀的束流而言，通过本发明的方法，采用可变的速度来进行扫描，对于靶上对应于密度较低的束流的位置，扫描速度慢些，而对应于较高密度的束流的位置，扫描速度又增快了，以此来减小因密度分布造成的剂量不均匀。经过仿真，可以实现0.2％的注入均匀度。
附图说明
48.图1为本发明的第一实施例的束流在y轴方向的一维分布的示意图。
49.图2为本发明的第一实施例的束流在x轴方向的一维分布的示意图。
50.图3为本发明的第一实施例的束流二维分布的示意图。
51.图4为本发明的第一实施例的束流采用现有技术中的匀速扫描的方式完成注入的仿真结果示意图。
52.图5为根据本发明的第一实施例的束流的密度分布计算所得的靶载体移动速度的分布示意图。
53.图6a-图6d分别为本发明的第一实施例的束流采用本发明所述的控制方法、按照图5的速度分布分别完成了1次扫描、2次扫描、3次扫描和4次扫描后且每次旋转90度的仿真结果示意图。
54.图7为本发明的第一实施例的束流采用本发明所述的控制方法、按照图5的速度分布完成了8次扫描、每次旋转45度的仿真结果示意图。
55.图8为本发明的第二实施例的束流在y轴方向的一维分布的示意图。
56.图9为本发明的第二实施例的束流在x轴方向的一维分布的示意图。
57.图10为本发明的第二实施例的束流二维分布的示意图。
58.图11为本发明的第二实施例的束流采用现有技术中的匀速扫描的方式完成注入的仿真结果示意图。
59.图12为根据本发明的第二实施例的束流的密度分布计算所得的靶载体移动速度的分布示意图。
60.图13a-图13d分别为本发明的第二实施例的束流采用本发明所述的控制方法、按照图12的速度分布分别完成了1次扫描、2次扫描、3次扫描和4次扫描后且每次旋转90度的仿真结果示意图。
61.图14为本发明的第二实施例的束流采用本发明所述的控制方法、按照图12的速度分布完成了8次扫描、每次旋转45度的仿真结果示意图。
62.图15为本发明的束流注入均匀性的控制系统的结构框图。
具体实施方式
63.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
64.在实施例中，首先，通过缝状法拉第杯来测量二维束流的密度分布f(x,y)，并且将二维束流的密度分布f(x,y)沿x轴积分得到一维束流的密度分布f(y)，其中，x轴为二维束流的短边方向，y轴为二维束流的长边方向。
65.接下来，根据一维束流的平均密度和需要的注入剂量，确定靶载体匀速执行机械扫描的第一速度和扫描次数。虽然在该控制方法中，扫描速度是可变的，但是为了计算可变速度，匀速扫描的恒定速度依然具有一定的参考价值，由此在这一步骤中，先根据剂量的要求和束流的平均密度得到如果执行匀速扫描的第一速度，为后续的第二速度的计算提供良好的参考基准。例如，通过以下方式确定第一速度：v1＝n
×
i/(d
×
1.6e19),其中n为扫描次数，d为剂量，i为束流的一维分布的平均密度。
66.具体来说，根据靶载体的运动能力、一维束流的密度分布f(y)、和剂量来确定扫描次数。
67.确定了第一速度和扫描次数后，根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的机械扫描范围，以及根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的扫描平面中x方向上每个扫描位置与第二速度的关系，所述第二速度是可变的，例如第二速度的改变相应于一维束流的密度分布f(y)。具体来说，通过以下方式确定第二速度：v2＝v1
×
f(r(x))，r是以硅片中心为圆心逆时针旋转90
°
的操作以将x轴映射到y轴。
68.接着，结合确定的第一速度和第二速度计算靶载体在扫描范围内x方向上的不同位置的实际扫描速度。
69.随后靶载体驱动靶以确定的实际扫描速度扫描以使得束流注入至靶中直至完成机械扫描范围内的扫描。接着使靶载体围绕其中心旋转预设角度，再次以上述方式进行扫描，直至完成所有扫描次数。
70.具体来说，在机械扫描范围内实际扫描速度与扫描位置的关系正比于一维束流的密度分布，扫描速度分布的平均值回归到一。不同位置的实际扫描速度与第一速度的差值正比于该位置对应的一维束流分布与一维束流均值的差值，再乘以束流沿扫描方向分布所确定的一个修正值。对于与扫描方向垂直的束流分布近似于周期函数、沿扫描方向的分布是高斯分布的束流，修正值为扫描方向x分布的半宽度除以y方向分布一个周期的宽度。
71.下面的对比实施例中将分别会以扫描4次和扫描8次为例，结合仿真结果(仿真采用python语言编写，并调用numpy、scipy和matplotlib)，来阐述本发明的控制方法的特点。后文中，依然束流的长边方向为y轴，短边方向为x轴，扫描沿着x轴方向进行。
72.参考图1-图7，采用了均匀性相对较优的带状束流(图1-图3所示)，在y轴方向上，其中间密度较高，两端密度较低。图1和图2中，横轴分别为y轴和x轴方向上的位置，纵轴为电流密度。图3中，横轴纵轴分别为x轴和y轴方向上的位置，以灰度表示电流密度，可以根据右侧的副坐标的数值看出，束流的中部电流密度较大，两次电流密度较低。
73.采用该带状束流来实施对靶的注入，根据注入剂量和束流的平均密度，算出如果匀速扫描的第一速度，并且以匀速来执行扫描，则得到如图4所示的结果，图4中横纵坐标分别表示x轴和y轴方向的位置，根据图4中右侧的副坐标的数值可以看出，中部的区域电流密度较高，上下两部则较低，不均匀度较高，达到10％。
74.作为对比，根据本发明的控制方法，根据一维束流的密度分布f(y)计算得到第二速度，见图5，横轴为x轴方向上的位置，纵轴表示速度(横坐标单位cm，纵坐标表示约化速度)，接下来根据图5的速度分布来执行速度可变的扫描，一共扫描4次，完成第一次扫描后将靶绕其中心旋转90度，后几次扫描以此类推，每次扫描后的结果见图6a-图6d。因为这里采用了比较对称的束流，所以第二次扫描后和第四次扫描后的结果比较类似，完成四次扫描后，不均匀度为0.5％。
75.采用同样的速度分布，增加旋转和扫描的次数，扫描8次，每次旋转45度，得到的结果见图7，均匀度进一步改善，达到0.2％。
76.参考图8-图14，采用了均匀性相对较劣的带状束流(图8-图10所示)，从图8可以看出，这一带状束流的电流密度极为不均匀，参考图11，如果采用现有的匀速扫描的方式，那么注入的结果是非常糟糕的。
77.本发明的控制方法不仅可以改善如上所述第一实施例的较为对称且密度分布较好的束流的注入均匀性，对于如图8-图10所示的密度分布不佳的束流，亦可改善注入均匀性。
78.具体来说，根据本发明的控制方法，通过一维束流的密度分布f(y)计算得到如图12所示的第二速度的分布，并且根据这一第二速度得到实际扫描速度，并采用实际扫描速度分别执行4次扫描和8次扫描，每次分别旋转90度和45度，各自得到的结果如图13d和图14所示，结合右侧的副坐标的数值可知，靶的中部有很大区域是基本均匀的，比之图11所示的结果均匀度有了显著改善。
79.相应的，参考图15，本发明所述的束流注入均匀性的控制系统，包括：
80.束流分布测量单元1，用于测量二维束流的密度分布f(x,y)，并且将二维束流的密度分布f(x,y)沿x轴积分得到一维束流的密度分布f(y)，其中，x轴为二维束流的短边方向，y轴为二维束流的长边方向；
81.第一计算单元2，用于根据一维束流的平均密度和需要的注入剂量，确定靶载体匀速执行机械扫描的第一速度和扫描次数；
82.第二计算单元3，用于根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的机械扫描范围，以及根据一维束流的密度分布f(y)确定靶载体的扫描平面中x方向上每个扫描位置与一可变的第二速度的关系；
83.扫描速度确定单元4，用于根据第一计算单元2和第二计算单元3所确定的第一速度和第二速度计算靶载体在扫描范围内x方向上的不同位置的实际扫描速度；
84.靶载体驱动单元6，用于驱动靶以扫描速度确定单元确定的实际扫描速度扫描以使得束流注入至靶中直至完成机械扫描范围内的扫描；
85.控制单元5，用于判断是否执行了第一计算单元2所确定的扫描次数，若是，控制靶载体驱动单元6结束扫描；若否，控制靶载体驱动单元6使靶载体围绕其中心旋转预设角度以再次扫描。
86.其中，第一计算单元2用于通过以下方式确定第一速度：v1＝n
×
i/(d
×
1.6e19),其中n为扫描次数，d为剂量，i为束流的一维分布的平均密度。且第一计算单元2用于根据靶载体的运动能力、一维束流的密度分布f(y)、和剂量来确定扫描次数。
87.第二计算单元3用于通过以下方式确定第二速度：v2＝v1
×
f(r(x)),r是以硅片中心为圆心逆时针旋转90
°
的操作以将x轴映射到y轴。
88.束流分布测量单元1包括用于测量二维束流的密度分布f(x,y)的缝状法拉第杯或者多孔结构的法拉第杯。
89.具体来说，机械扫描范围为束流的长边方向尺寸加上靶的特征长度。机械扫描次数为4n，n为正整数。预设角度为360
°
/扫描次数。
90.在机械扫描范围内实际扫描速度与扫描位置的关系正比于一维束流的密度分布，扫描速度分布的平均值回归到一。而不同位置的实际扫描速度为第一速度乘以归一化的扫描速度所得。不同位置的实际扫描速度与第一速度的差值正比于该位置对应的一维束流分布与一维束流均值的差值，再乘以束流沿扫描方向分布所确定的一个修正值。对于与扫描方向垂直的束流分布近似于周期函数、沿扫描方向的分布是高斯分布的束流，修正值为扫描方向x分布的半宽度除以y方向分布一个周期的宽度。
91.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。