何科峰

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所

前言

半導(dǎo)體生產(chǎn)摻雜把雜質(zhì)引入硅中，改變它的電學(xué)性能，這能夠通過(guò)離子注入或擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。離子注入有眾多優(yōu)點(diǎn)，已大規(guī)模取代了擴(kuò)散。離子注入是個(gè)物理過(guò)程，需要使用注入設(shè)備，所以離子注入機(jī)是半導(dǎo)體工藝中最常見(jiàn)的摻雜工具，它也是半導(dǎo)體工藝中最復(fù)雜的設(shè)備之一。注入設(shè)備主要有6個(gè)子系統(tǒng)：離子源、吸極、離子分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和工藝腔。其工作過(guò)程大致是：離子源產(chǎn)生注入的離子，吸極把離子從源中提取出來(lái)，分析磁鐵把所需離子與其他離子分離出來(lái)。加速器將雜質(zhì)加速，通過(guò)掃描系統(tǒng)把他射向硅片。離子注入機(jī)設(shè)備涉及物理、電氣、機(jī)械、自動(dòng)控制等多門類多學(xué)科的知識(shí)。

1 各類離子注入機(jī)故障檢查及排除

離子注入機(jī)設(shè)備的平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTPF）大致就是50小時(shí)。由于許多國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體廠家及科研院所從成本方面考慮，大多數(shù)離子注入機(jī)都是從國(guó)外引進(jìn)的二手設(shè)備。所以設(shè)備的故障率更高，注入機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定工作需要維護(hù)人員不定期進(jìn)行維修和保養(yǎng)。

離子注入機(jī)設(shè)備的故障大致分為：部件老化、電源故障、真空問(wèn)題、系統(tǒng)沾污?，F(xiàn)在就這幾個(gè)類型的故障做簡(jiǎn)單的分析，并結(jié)合在維修中遇到的實(shí)例加以說(shuō)明。

1.1 部件老化

正是由于國(guó)內(nèi)的離子注入機(jī)大多是引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)線下線的二手設(shè)備，所以其部件老化的問(wèn)題是經(jīng)常遇到的設(shè)備故障。從真空部件如泵、閥門、管道等到一些控制單元甚至是一些元器件，都是有可能引發(fā)故障的因素。例如機(jī)械泵老化抽氣能力下降，這需要清理泵的內(nèi)部及更換內(nèi)部的易損件，或者直接更換泵；高低電位控制用的光纖使用時(shí)間過(guò)久，光纖頭被污物遮住無(wú)法處理，導(dǎo)致選擇源氣、燈絲電流調(diào)節(jié)等信號(hào)紊亂。單個(gè)的元器件老化導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作的故障也有很多，現(xiàn)舉兩個(gè)實(shí)例：1)VarianE1000大束流離子注入機(jī)的靶室傳片系統(tǒng)中有一傳片小車，在傳片過(guò)程中突然失控，以很快的速度來(lái)回?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)初步判斷是控制小車運(yùn)動(dòng)的編碼電機(jī)有故障。由于小車是在傳片過(guò)程中需要經(jīng)常來(lái)回運(yùn)動(dòng)的部件，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)使編碼電機(jī)的編碼盤松動(dòng)，已經(jīng)劃壞，所以致使控制小車的信號(hào)紊亂，更換編碼電機(jī)后恢復(fù)正常工作。2)Varian的中束流離子注入機(jī)CF5正常引束操作，先進(jìn)行掃描調(diào)整時(shí)能看到束流和波形，當(dāng)切換到注入檔時(shí)，劑量處理器（Dose processor）不能接收到束流也無(wú)掃描波形。分析故障可能是X掃描無(wú)DCoffset信號(hào)或者Y掃描無(wú)BeamGate信號(hào)。根據(jù)圖1判斷故障來(lái)自劑量處理器的BeamGate信號(hào)沒(méi)有輸出給Wayflow control。檢查Dose processor輸出BeamGate信號(hào)的三極管c1214已燒壞，更換一個(gè)新的c1214還是燒壞，再檢查c1214的輸出負(fù)載是到Wayflow control上的一個(gè)繼電器，檢查繼電器正常。但發(fā)現(xiàn)繼電器K1的插座有短路現(xiàn)象，更換一新的插座后不再燒c1214，再引束，劑量處理器正常工作。一個(gè)部件甚至一個(gè)元器件損壞或失效都可能導(dǎo)致設(shè)備的不正常工作，所以維修時(shí)需要仔細(xì)地分析判斷問(wèn)題。

圖1

1.2 電源故障

電器設(shè)備是注入機(jī)的重要組成部分，它的質(zhì)量對(duì)于注入機(jī)實(shí)現(xiàn)大面積均勻注入，保證離子注入機(jī)大批量生產(chǎn)的重復(fù)性和機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，均具有重要意義。其中電源又是電器設(shè)備的主要組成部分，注入機(jī)的主要電源有高壓電源、吸極電源、燈絲電源、磁分析器電源、掃描電源等。進(jìn)行電源的檢修時(shí)需要注意電源的負(fù)載是否正常，先分析直流電路，在搞懂各單元電路的工作原理，再進(jìn)行穩(wěn)壓或穩(wěn)流過(guò)程的分析。實(shí)例1：在使用Varian的中束流機(jī)DF4時(shí)發(fā)現(xiàn)燈絲電源失控，即電源一打開(kāi)電流就加到最大值，導(dǎo)致燈絲電源的兩個(gè)功率推動(dòng)管MJ10007燒毀。先將離子源進(jìn)行清潔和更換燈絲，排除了負(fù)載的原因，再換上新的MJ10007重點(diǎn)檢查電源。該電源是典型的脈寬調(diào)整式開(kāi)關(guān)電源，框圖如圖2。

圖2

首先斷開(kāi)主回路，用示波器測(cè)量A1,A2兩部分對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的波形，通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)觀察脈寬發(fā)生器的波形的改變，發(fā)現(xiàn)控制板的波形正常。測(cè)得電流反饋點(diǎn)在加負(fù)載到100A時(shí)的波形并沒(méi)有打開(kāi)，只有一段很窄的高電平，判斷是新?lián)Q的MJ10007仍舊不行。選用新購(gòu)的MJ10007實(shí)驗(yàn)，恢復(fù)正常。實(shí)例2：Varian的大束流機(jī)160-10，使用中發(fā)現(xiàn)注入后晶片的方塊電阻Rs偏大，即注入劑量不足。在排除不是不當(dāng)退火的原因后，分析判斷是有二次電子（secondary electrons）所產(chǎn)生的假束流導(dǎo)致劑量偏差，那么極有可能是抑制二次電子的抑制電源BIAS(1KV)沒(méi)有正常工作，維修抑制電源后1KV加在BIAS上能有效的抑制注入時(shí)產(chǎn)生的二次電子，設(shè)備恢復(fù)正常。

1.3 真空問(wèn)題

注入機(jī)設(shè)備系統(tǒng)的真空好壞，是進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的基礎(chǔ)也是影響均勻性指標(biāo)的重要因素。系統(tǒng)的真空度一般要優(yōu)于1X10-5托（毫米水銀柱），注入靶室的真空度要求優(yōu)于1X10-6托。特別是一些在生產(chǎn)線上使用了多年的注入機(jī)，真空問(wèn)題尤為突出。在維修和保養(yǎng)過(guò)程中，潔凈的無(wú)塵紙和酒精及真空檢漏儀是需經(jīng)常用到的工具和設(shè)備，一些老化的密封圈特別在真空鎖用到的空氣密封部件，要定期進(jìn)行更換才能保證使用可靠。實(shí)例：EATON的大束流注入機(jī)NV10-160的靶室真空低于4X10-5托，利用真空檢漏儀檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)械掃描的靶室其滑動(dòng)密封的內(nèi)層密封圈由于有碎片和污物滑傷密封圈，導(dǎo)致真空漏氣。打開(kāi)清理和換密封圈后恢復(fù)正常。

1.4 系統(tǒng)沾污，糾正措施

離子束中的沾污問(wèn)題是在使用設(shè)備中常遇到的問(wèn)題。有以下幾種可能的原因：

a.離子源沾污 可能造成離子源玷污的因素：

1）離子源是否被沾污

2）真空系統(tǒng)是否漏氣

3）源材料是否滿足純度要求。

b.質(zhì)量分析之前離子束沾污 吸極和分析器之間的區(qū)域不是玷污的重要來(lái)源，但要檢查真空是否漏氣

c.質(zhì)量分析中造成的沾污 質(zhì)量分析器的窄縫過(guò)窄，不能把其他種類的離子全部排除。例如使用磷化氫作為源進(jìn)行磷注入可能會(huì)造成氫沾污

d.質(zhì)量分離后的離子束沾污 殘余氣體與離子束反應(yīng)，造成能量不正確的離子（能量沾污）。正確措施包括：

1） 檢查真空系統(tǒng)是否漏氣

2） 檢查能量過(guò)濾系統(tǒng)

3） 檢查系統(tǒng)成分的金屬沾污。

e.終端臺(tái)沾污 可能的沾污源有：

1） 終端臺(tái)材料（如離子束撞擊電極的濺射金屬和摻雜）

2） 來(lái)自光刻膠的堿性元素沾污

3） 法拉第杯裝置的鋁

4） 使用相同注入機(jī)的其他雜質(zhì)元素的交互沾污。

2 結(jié)束語(yǔ)

離子注入機(jī)作為半導(dǎo)體工藝中最復(fù)雜的設(shè)備之一，它的維修也是一項(xiàng)結(jié)合多門類學(xué)科知識(shí)的復(fù)雜工作，甚至需要結(jié)合維修者的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合實(shí)際問(wèn)題具體地去分析和判斷，這里只能粗略的結(jié)合幾個(gè)例子來(lái)探討，至于更細(xì)節(jié)的問(wèn)題這里不再論述。