专利名称：束流密度分布和角度分布测量装置及方法、束流控制方法
技术领域：
本发明涉及一种束流诊断装置，特别是涉及一种用于测量离子束密度分布和角度 分布的装置及方法、以及相应的控制离子束密度分布和角度分布的方法。
背景技术：
离子注入方法用于把通常称之为杂质的原子或分子引入靶标基片，从而改变基片 材料的物理和化学性能。尤其令人感兴趣的是，用离子注入法在单晶或多晶硅中掺杂，是制 造现代集成电路中使用的一种常规工艺过程。由于半导体产品的生产逐渐趋向较大的半导 体晶圆(从8英寸到12英寸，而现在已向18英寸发展)工艺，单晶圆工艺(一次处理一片 晶圆)最近已被广泛地采用。晶圆工件越大，注入所需要的时间就越长，同时要想达到一定 的注入剂量均勻性和注入角度均勻性也越来越困难，随之便导致简单、快速、精确地测量离 子束的密度分布和角度分布也越来越难以实现，这就对目前的离子注入机中的束流诊断装 置提出了新的要求。另外，现有工艺中均是采用两套独立的机构来控制工件和束流诊断设 备的扫描运动，这必然会带来设备结构复杂、可靠性降低的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的束流诊断设备测量效率及精 确性不足的缺陷，提供一种测量过程简单、快速、精确的用于测量离子束密度分布和角度分 布的装置及方法、以及相应的控制离子束密度分布和角度分布的方法。本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种用于测量离子束密度分 布和角度分布的装置，其特点在于，其包括一个一维测量单元、一个二维测量单元和一个信 号处理单元，该一维测量单元包括一开口狭长的第一法拉第杯，该第一法拉第杯设有一块 流强信号接收板；该二维测量单元包括至少一个第二法拉第杯，和/或至少一个第三法拉 第杯，和/或至少一个第四法拉第杯；其中，该第二法拉第杯设有一块流强信号接收板，该 第三法拉第杯设有对称分布的两块流强信号接收板，该第四法拉第杯设有呈中心对称分布 的四块流强信号接收板；该信号处理单元用于根据该第一法拉第杯的流强信号计算束流在 该狭长开口处的线积分密度分布，根据该第二法拉第杯的流强信号计算束流在该第二法拉 第杯处的密度分布，根据该第三法拉第杯的两组流强信号计算束流在该第三法拉第杯处的 密度分布和一维角度分布，根据该第四法拉第杯的四组流强信号计算束流在该第四法拉第 杯处的密度分布和二维角度分布。较佳地，该装置与用于控制束流传输的一控制设备相连。较佳地，该些第二、第三和第四法拉第杯排列设置于与该第一法拉第杯的狭长开 口平行的方向上。较佳地，该装置设于用于支持并扫描工件的一机械手臂上。本发明的另一技术方案为一种利用上述装置测量离子束密度分布和角度分布的 方法，其特点在于，其包括以下步骤=S1、该装置与离子束进行相对运动，以使该装置通过离子束的完整横截面；S2、该装置中的各流强信号接收板接收束流产生的电流信号；S3、该信 号处理单元根据该第一法拉第杯的电流信号计算束流在该狭长开口处的线积分密度分布； S4、该信号处理单元根据该第二法拉第杯的电流信号计算束流在该第二法拉第杯处的密度 分布，和/或根据该第三法拉第杯的两组电流信号计算束流在该第三法拉第杯处的密度分 布和一维角度分布，和/或根据该第四法拉第杯的四组电流信号计算束流在该第四法拉第 杯处的密度分布和二维角度分布；s5、该信号处理单元根据上述各密度分布和角度分布数 据，计算获得束流完整横截面上的密度分布和角度分布。其中，该装置与离子束进行相对的横向扫描和/或竖直扫描。本发明的又一技术方案为一种利用上述装置控制离子束密度分布和角度分布的 方法，其特点在于，其包括以下步骤=S1、该装置与离子束进行相对运动，以使该装置通过离 子束的完整横截面；S2、该装置中的各流强信号接收板接收束流产生的电流信号；s3、该信 号处理单元根据该第一法拉第杯的电流信号计算束流在该狭长开口处的线积分密度分布； S4、该信号处理单元根据该第二法拉第杯的电流信号计算束流在该第二法拉第杯处的密度 分布，和/或根据该第三法拉第杯的两组电流信号计算束流在该第三法拉第杯处的密度分 布和一维角度分布，和/或根据该第四法拉第杯的四组电流信号计算束流在该第四法拉第 杯处的密度分布和二维角度分布；s5、该信号处理单元根据上述各密度分布和角度分布数 据，计算获得束流完整横截面上的密度分布和角度分布；S6、该控制设备根据该装置获得的 束流完整横截面上的密度分布和角度分布数据，对束流的传输状态进行调整优化；s7、反复 执行步骤S1-S6,直至束流完整横截面上的密度分布和角度分布符合预设要求。其中，该装置与离子束进行相对的横向扫描和/或竖直扫描。本发明的积极进步效果在于本发明能够简单、快速、精确地对离子束的密度分布 和角度分布进行测量，为离子注入机更加准确、高效地控制束流提供了可靠的数据基础，从 而有利于提高束流的利用效率，以及更方便地优化束流的剂量和角度的均勻性。
图1为本发明的用于测量离子束密度分布和角度分布的装置的结构示意图。图2a为本发明中的第一法拉第杯的第一实施例的侧视图。图2b为本发明中的第一法拉第杯的第二实施例的侧视图。图3为本发明中的第三法拉第杯的侧视图。图4为本发明中的第四法拉第杯的正视图。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。本发明的用于测量离子束密度分布和角度分布的装置主要包括一个一维测量单 元、一个二维测量单元和一个信号处理单元。如图1、图2a和图2b所示，该一维测量单元可以采用一开口狭长的第一法拉第杯 1来实现，其中该第一法拉第杯1设有一块流强信号接收板13。参考图2a和图2b，此处及下文中所涉及的第一至第四法拉第杯均具有基本相同 的结构，即均由作为地电位的面板(例如图2a和图2b中的面板11)、作为负电位的抑制电极(例如图加中的抑制电极12)或抑制磁极(例如图2b中的抑制磁极12’)、以及流强信 号接收板构成。该些法拉第杯之间的区别主要在于仅用于测量束流密度分布的法拉第杯 只设有一块流强信号接收板，例如图加和图2b中所示的第一法拉第杯1 ；而同时具有束流 密度分布测量功能和束流角度分布测量功能的法拉第杯则设有两块或四块流强信号接收 板，分别例如图3和图4中所示的第三法拉第杯3和第四法拉第杯4。如图1所示，该二维测量单元包括至少一个第二法拉第杯2，和/或至少一个第 三法拉第杯3，和/或至少一个第四法拉第杯4，即该二维测量单元可以仅包括第二法拉第 杯2、第三法拉第杯3及第四法拉第杯4中的一种，也可以为第二法拉第杯2、第三法拉第杯 3及第四法拉第杯4的任意组合。其中，该第二法拉第杯2仅设有一块流强信号接收板，其 与第一法拉第杯1相比，除了开口形状不同之外，实质上结构完全相同；如图1和图3所示， 该第三法拉第杯3设有对称分布的两块流强信号接收板31、31’ ；如图4所示，该第四法拉 第杯4设有呈中心对称分布的四块流强信号接收板41、42、43、44。该第二、第三和第四法拉 第杯的开口与第一法拉第杯1的开口相比尺寸较小，例如可以与第一法拉第杯1的狭长开 口的宽度相当，而形状则可以为图中所示的矩形，当然也可以根据具体应用和加工的需要， 采用其他形状的开口，例如简单的圆形开口。在本实施例中，该一维测量单元与该二维测量 单元平行设置，即多个第二、第三或第四法拉第杯在与该第一法拉第杯1的狭长开口相平 行的方向上排列成行。当束流中的离子通过该第一法拉第杯1的开口到达其流强信号接收板13时，会在 该流强信号接收板13上产生电流信号，该电流信号的分布与束流在该第一法拉第杯1处的 密度分布之间具有一定的对应关系，而信号处理单元则能够基于该对应关系对该流强信号 接收板13上的电流信号进行分析处理，从而计算得到束流在该处的线积分密度分布数据。 由于与该第一法拉第杯1的结构基本相同，故该第二法拉第杯2对束流密度分布的测量原 理也是如此，但由于该第二法拉第杯2的开口较小，因此其测得的数据仅是其位置处的密 度分布数据。。该第三法拉第杯3由于具有两块流强信号接收板31、31’，当入射的离子束具有一 定的角度分布时，到达该两块流强信号接收板31、31’上的离子分布情况便会有所区别，相 应地，离子在该两块流强信号接收板31、31’上产生的电流信号的分布情况也会随之有所区 别，从而，通过对该两块流强信号接收板31、31’上的该两组电流信号进行比较分析，并且基 于电流信号的分布与束流在该第三法拉第杯3处的角度分布之间的对应关系，该信号处理 单元便可以计算获得束流在该处的一维角度分布(例如沿图3中竖直方向的角度分布)数 据，即该第三法拉第杯3进行束流角度分布测量的维度始终沿该两块流强信号接收板31、 31’的中心连线方向。显而易见的是，当将该第三法拉第杯3的设置方向旋转一定的角度 时，其进行束流角度分布测量的维度也将随之旋转相同的角度，例如图1所示的实施例中 便设置有两种不同安装角度的第三法拉第杯3，其安装角度相差90度，故可以分别用于测 量束流在该处沿横向和竖直方向的角度分布。另外，将该两组电流信号加以结合分析，即将 其综合后视作产生自一块由流强信号接收板31、31’拼合而成的单一流强信号接收板，然后 利用与第一法拉第杯1相同的原理，该信号处理单元便可以计算获得束流在该处的密度分 布数据。该第四法拉第杯4具有四块流强信号接收板41、42、43、44，以图4所示的情况为
6例，当将流强信号接收板41、43上产生的电流信号作为一组，并将流强信号接收板42、44上 产生的电流信号作为另一组时，通过对该两组电流信号加以比较分析，利用与第三法拉第 杯3类似的原理，该信号处理单元便能够计算获得束流在该处沿图4中水平方向的角度分 布数据；而当将流强信号接收板41、42上的电流信号作为一组，并将流强信号接收板43、44 上的电流信号作为另一组时，通过对该两组电流信号加以比较分析，该信号处理单元便能 够计算获得束流在该处沿图4中竖直方向的角度分布数据，由此便获得了束流在该处的二 维角度分布。另外，将该四块流强信号接收板41、42、43、44上产生的电流信号加以结合分 析，即将其综合后视作产生自一块由流强信号接收板41、42、43、44拼合而成的单一流强信 号接收板，然后利用与第一法拉第杯1相同的原理，该信号处理单元便可以计算获得束流 在该处的密度分布数据。一定的束流密度分布和角度分布会导致离子束中的离子在某一法拉第杯的流强 信号接收板上产生一定的电流信号，该电流信号与该密度分布或角度分布的对应关系可以 根据该法拉第杯的实际结构参数具体确定，由此，当测得了某一法拉第杯处的电流信号后， 本领域的普通技术人员便能够基于该电流信号计算得出束流在该处的密度分布和/或角 度分布数据，而该计算过程可以通过编程手段实现，故在此不作赘述。由于束流在其横截面上往往不是均勻分布的，因此为了获得其横截面上更多位置 处的束流信息，如图1所示，该二维测量单元中各不同类型的法拉第杯可以采用对称分布， 即以一第四法拉第杯为中心，在其两侧对称地设置多个第二和第三法拉第杯。在实际的测量过程中，该装置会与束流进行往复的扫描运动，以使该装置通过束 流的完整横截面，例如相对的横向扫描和/或竖直扫描。在该装置经过的每一个束流位置 处，该信号处理单元都将实时地根据各个第一至第四法拉第杯的电流信号，计算得到该位 置处束流的密度分布及一维、二维角度分布数据，由此，当该装置扫描遍历束流的完整横截 面上的各个位置后，该信号处理单元便可以基于在各位置处实时测得的密度分布及角度分 布数据，综合得出该束流在例如工件处的完整的密度分布和角度分布信息。较佳地，将该装置设置于一专用于移动该装置的机械手臂上，更佳地直接设置在 用于支持并扫描工件的一机械手臂上，从而使得对工件和对该装置的扫描运动的控制可以 通过单一机构完成，大大地简化了整个系统的结构复杂性，提高了其运行可靠性；另外，该 机械手臂可以使得该装置以与工件相同的扫描轨迹进行移动，从而确保该装置的运动模式 能够与工件的相应运动模式完全相同，从而进一步地提高了该装置对工件所在工位处的束 流的测量精确性。类似地，也可以将该装置设置于一固定的测量位置上，而是使离子束在电 磁场的作用下往复扫描经过该装置。在实际生产过程中，该装置通常被用作调束优化的关键环节。在获得了工件处束 流的密度分布与角度分布信息之后，将其与注入要求进行比较，若已经符合要求，则可以开 始进行离子注入的工艺制程；若还不符合要求，则参考测得的该实际密度分布和角度分布 数据，进一步地对束流传输线上的各个束流光学器件进行参数调整，然后再次利用该装置 对束流进行测量，接着再次与注入要求进行比较，如此反复地测量、调整，直至工件处的束 流被优化至完全符合注入要求为止。上述的束流调整过程可以由操作人员手动修正各个束 流光学器件的参数来实现，另外也可以采用自动化的方式进行，即将该装置与用于控制束 流传输的一控制设备相连，该装置测得的密度分布和角度分布数据都将被不断地反馈至该控制设备，从而由该控制设备基于该些数据运行控制程序自动地完成调束优化的过程。综上所述，本发明能够简单、快速、精确地对离子束的密度分布和角度分布进行测 量，为离子注入机更加准确、高效地控制束流提供了可靠的数据基础，从而有利于提高束流 的利用效率，以及更方便地优化束流的剂量和角度的均勻性。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。
权利要求
1.一种用于测量离子束密度分布和角度分布的装置，其特征在于，其包括一个一维测 量单元、一个二维测量单元和一个信号处理单元，该一维测量单元包括一开口狭长的第一法拉第杯，该第一法拉第杯设有一块流强信号接收板；该二维测量单元包括至少一个第二法拉第杯，和/或至少一个第三法拉第杯，和/或 至少一个第四法拉第杯；其中，该第二法拉第杯设有一块流强信号接收板，该第三法拉第杯 设有对称分布的两块流强信号接收板，该第四法拉第杯设有呈中心对称分布的四块流强信 号接收板；该信号处理单元用于根据该第一法拉第杯的流强信号计算束流在该狭长开口处的线 积分密度分布，根据该第二法拉第杯的流强信号计算束流在该第二法拉第杯处的密度分 布，根据该第三法拉第杯的两组流强信号计算束流在该第三法拉第杯处的密度分布和一维 角度分布，根据该第四法拉第杯的四组流强信号计算束流在该第四法拉第杯处的密度分布 和二维角度分布。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置与用于控制束流传输的一控制设备 相连。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该些第二、第三和第四法拉第杯排列设置于 与该第一法拉第杯的狭长开口平行的方向上。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的装置，其特征在于，该装置设于用于支持并扫描 工件的一机械手臂上。
5.一种利用如权利要求1所述的装置测量离子束密度分布和角度分布的方法，其特征 在于，其包括以下步骤·51、该装置与离子束进行相对运动，以使该装置通过离子束的完整横截面；·52、该装置中的各流强信号接收板接收束流产生的电流信号；·6.该信号处理单元根据该第一法拉第杯的电流信号计算束流在该狭长开口处的线积 分密度分布；、、该信号处理单元根据该第二法拉第杯的电流信号计算束流在该第二法拉第杯处的 密度分布，和/或根据该第三法拉第杯的两组电流信号计算束流在该第三法拉第杯处的密 度分布和一维角度分布，和/或根据该第四法拉第杯的四组电流信号计算束流在该第四法 拉第杯处的密度分布和二维角度分布；·S5、该信号处理单元根据上述各密度分布和角度分布数据，计算获得束流完整横截面 上的密度分布和角度分布。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该装置与离子束进行相对的横向扫描和/或 竖直扫描。
7.一种利用如权利要求2所述的装置控制离子束密度分布和角度分布的方法，其特征 在于，其包括以下步骤·51、该装置与离子束进行相对运动，以使该装置通过离子束的完整横截面；·52、该装置中的各流强信号接收板接收束流产生的电流信号；·&、该信号处理单元根据该第一法拉第杯的电流信号计算束流在该狭长开口处的线积 分密度分布；、、该信号处理单元根据该第二法拉第杯的电流信号计算束流在该第二法拉第杯处的 密度分布，和/或根据该第三法拉第杯的两组电流信号计算束流在该第三法拉第杯处的密 度分布和一维角度分布，和/或根据该第四法拉第杯的四组电流信号计算束流在该第四法 拉第杯处的密度分布和二维角度分布；&、该信号处理单元根据上述各密度分布和角度分布数据，计算获得束流完整横截面 上的密度分布和角度分布；&、该控制设备根据该装置获得的束流完整横截面上的密度分布和角度分布数据，对 束流的传输状态进行调整优化；S7、反复执行步骤S1-S6,直至束流完整横截面上的密度分布和角度分布符合预设要求。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该装置与离子束进行相对的横向扫描和/或 竖直扫描。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量离子束密度分布和角度分布的装置，其包括一个一维测量单元、一个二维测量单元和一个信号处理单元，该一维测量单元包括一开口狭长的第一法拉第杯，该第一法拉第杯设有一块流强信号接收板；该二维测量单元包括至少一个第二法拉第杯，和/或至少一个第三法拉第杯，和/或至少一个第四法拉第杯，该第二法拉第杯设有一块流强信号接收板，该第三法拉第杯设有对称分布的两块流强信号接收板，该第四法拉第杯设有呈中心对称分布的四块流强信号接收板；该信号处理单元用于计算获得束流的密度分布和角度分布。本发明还公开了一种测量离子束密度分布和角度分布的方法，以及一种控制离子束密度分布和角度分布的方法。
文档编号C23C14/48GK102115874SQ20091024800
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者洪俊华, 钱锋, 陈炯 申请人:上海凯世通半导体有限公司