1 前言

      随着集成电路产业的快速发展，行业内的竞争也越来越激烈。因此对于集成电路制造企业来说，在保证产品品质的前提下，降低成本和提高生产线上的流片速度显得愈发重要。为了实现这些目标，工程师们不遗余力地寻找着更好的方法。例如说，通过寻找second source引进良性竞争来保证耗材的质量和价格；通过改善Recipe参数来缩短工艺时间和减少昂贵工艺气体用量等等。

      离子注入作为半导体制造过程中的重要工序，其批处理能力的大小直接影响着整个生产流水线的速度。如何能够加快离子注入的速度，提高离子注入机的产能一直是重要的课题。目前通过谨慎地提高传送机械手的速度(保证不影响故障率的情况下)来对离子注入设备内搬送进行提速；在同一台离子注入设备上，通过连续预约同一种束流条件的制品来节省重新调整束流的时间等方法都取得了不小的成果，但是在单独一次注入过程中提速的方法还不是非常理想。在离子注入工序中，通常采用通过增大注入束流来缩短工艺时间的提速方法。但这种方法也存在束流难调、放电异常增加和石墨部件损耗严重等缺点，所以必须寻找一种更稳定、更节省的提速方法。

      批处理离子注入的方式是注入束流经过分析磁场(beam guide)和选择狭缝(MRS)以后位置基本固定不动，搭载圆片的机械部分(wheel或disk)高速旋转的同时在同一个平面内反复做往返机械运动，这种运动即叫做扫描(scan)。在通常的系统中，这种往返运动的线程即两个极限位置之间的距离是固定的。决定这个距离的因数有两个：圆片的尺寸和注入束流可能达到的最大宽度。这种方法的最大缺点就是，当实际注入束流的宽度与最大宽度相差较大时，会产生大量的额外注入时间(圆片没有被束流覆盖而空跑的时间)。这样的束流浪费(昂贵工艺气体浪费)和时间浪费是非常惊人的。如果能够通过优化扫描动作，减少甚至消除这些额外的注入时间，就能减少实际每次注入时间，从而大大提高生产效率。这种避免浪费而加速方法就是本文要讨论的，我们暂时称之为有效化扫描(scan Efficiency)。

      2 离子注入中被浪费的时间

      通常，为了在束流达到最大宽度的情况下确保正常有效的注入，离子注入设备的扫描动作被设汁成"过扫描类型"。过扫描模式是固定扫描的最大距离，通过牺牲大量的额外注入时间来确保各种束流情况时注入的有效性。即使在最极端隋况下(束流达到最大宽度)，注入束流也完全可以覆盖到圆片的整个表面，绝对避免了圆片有部分未被注入或注入不足的缺陷情况。这个过程实际上是建立在光学原理的基础上的，当没有进行扫描动作，即扫描未开始或扫描已经结束时(最小位置)，圆片以及机械部分都不在束流覆盖范围，注入束流完全不受阻挡地被在束流终端的束流检测器接受到，此时检测出的束流应为最大值。而扫描过程中束流掠过圆片时(最大位置)，圆片不在束流覆盖范围，但是机械部分遮蔽了部分束流，此时检测出的束流应为-个比最大值小的较大值。

      但是当实际使用的束流宽度小于最大宽度时，这种方法的缺点就暴露出来了。圆片未与束流接触而空跑的时间，我们称之为额外的空白扫描时间。由于它们的出现，实际的注入时间会大于真正需要的注入时间。而且束流宽度越小，额外的空白扫描时间越大，浪费的比重也越大。如图1所示。

      3 有效化扫描模拟过程

      那么如何才能消除这种浪费同时又避免圆片未注入或注入不足的缺陷情况。如果能够在圆片刚刚完全移出束流覆盖范围时，也就是圆片的边缘-离开束流覆盖范围时，立刻(当然可以设定一些安全距离)让扫描动作转向，就能够消除这些额外的空白扫描时间，就能减少实际每次注入时间，从而大大提高生产效率，如图2所示。  

      有效化扫描的实质是通过缩短扫描往返运动路程来减少实际注入时间的。这一方法的关键就是要找到圆片完全脱离束流范围的那一瞬间，我们称之为转折点。当进行理想状态下的有效化扫描时，注入束流被片完全阻隔或部分阻隔，束流检测器(beam stop or disk Faraday)检测出的束流应该是不断改变的，是变量。当扫描未开始或扫描已经结束，既没有进行扫描动作，圆片完全不在束流范围内，束流毫无阻隔地被检测器接受时，检测出的束流应该是不变的，是恒量。在有效化扫描动作的转折点，由于圆片刚刚从束流范围中完全脱离出来(最大位置时束流依旧被机械部份阻隔了一小部分)，又立刻改变方向开始进入束流范围，检测出的束流在这一瞬间是恒量，而且检测束流在这一瞬间之前经历了两次相反的曲线拐点。如果从数学上描述的话，即检测出束流大小(IB)对时间(t)的一阶导数为0，二阶导数为负。

      数学表示式：dIB／dt=0；d2IB／dt2<0(1)

      检测出的束流大小与有效化扫描关系如图3所示，空余偏差(offset)设为5mm。  

      4 用数字信号处理器来实时检测和自动控制

      找出了判断转折点的依据，下一步就需要实现数据的实时检测和自动控制。束流检测器(beam stop or disk Faraday)可以测出实际没有被阻隔而打在终端的束流大小，数字信号处理器(DSP)随时检测和分析束流检测器提供的束流大小(IB)，并且根据内嵌的数学公式(dIB／dt=0；d2IB／dt2<0)判断圆片是否已完全移出束流覆盖范围。当数字信号处理器判断出圆片已完全移出束流覆盖范围时，就会向机械控制器发出转变运动方向的指令，使搭载圆片的机械部分(wheel或disk)向反方向运动，实现自动化控制。如此一来，扫描动作的路程就大大缩短了，空白扫描时间消失了，实际注入时间减少了。有效化扫描在不影响产品品质的前提下实现了提高速度的目的。而且实际束流宽度越小，效果就越明显，束流宽度只有最大宽度一半时，注入时间几乎可以缩短30％左右；只有在最极端情况下，即实际束流达到最大宽度时是几乎没有效果(与传统模式同样注入时间)。

      5 如何确保有效化扫描的可靠性

      有效化扫描可以有效地缩短注入时间。通过数字信号处理器一直监视着检测出的束流变化，并根据内嵌在数字信号处理器的数学公式计算束流对时间的导数。当符合判断条件的转折点出现时，即发现圆片完全脱离束流范围那一瞬间时，数字信号处理器向机械控制器发出转变运动方向的指令。但是当有效化扫描过程中注入束流本身发生变化时，有效化扫描的可靠性则不能得到保证。

      在运用有效化扫描的系统中，第一次的扫描往返动作被用来进行标准扫描(profile scan)。标准扫描时，机械部分以最大的运动线程(根据束流最大宽度计算的)往返运动一次，在这过程中数字信号处理器可以找出转折时间点并记录下来，但不会发出转变运动方向的指令。之后的所有扫描动作会以标准扫描时记录的点为参考，依靠数字信号处理器实现最优化运动路程的效能。

      在标准扫描过程中记录的数据同样被用来检测束流偏移。在正式扫描过程中，如果数字信号处理器检测出的转折点与记录的偏离了一定范同以上(偏差值可以视具体情况设定)，那么束流中心可能已经偏移了。当发生这种情况时，数字信号处理器不会发出转变运动方向的指令，而机械部分会再以最大的运动线程往返一次，重新进行一次标准扫描。从而确保了有效化扫描的可靠性。

      6 结语

      传统离子批注入扫描模式会产生大量的被浪费掉的额外注入时间。通过数字信号处理器即时检测及自动化控制来缩短扫描动作路程，有效化扫描对于减少实际注入时间的效果是明显的，当束流较小时尤其明显。为了确保有效化扫描的可靠运作，以下三个条件缺一不可：

      (1)转折点dIB／dt=0；

      (2)转折点(d2IB／dt2)<0；

      (3)数字信号处理器在每一次有效化扫描检测出的转折点与标准扫描时的一致。这样在保证产品品质的前提下，可以大大提高设备的生产能力。

      SEN和AXCELIS的GSD系列运用了类似的技术，其原理是在搭载圆片的机械部分(disk)上靠外侧处开两个对称小孔，当束流后的束流检测器(disk Faraday)检测的束流变为只有通过一个小孔的量时，认为圆片已完全脱离束流范围，机械运动转向。但这样对束流偏离的修正功能不够，而且由于判断条件较少，对束流大小变化的抗干扰性不强。美国应用材料公司对有效化扫描技术很感兴趣，已经开展了一些研究，甚至在Quantum系列设备上已经预设了相关设定。也有客户咨询过该技术，但是目前为止该技术的完全运用还不成熟，有一些问题，例如方块电阻均一性不佳更有待解决。