解 晗，申 強(qiáng)，葛榮祥

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016)

蒸發(fā)臺(tái)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件加工過程，原理是利用各種方式獲得熱量將目標(biāo)材料加熱至蒸氣相，呈氣態(tài)的原子在高真空環(huán)境下經(jīng)過一定距離的擴(kuò)散附著在預(yù)先放置的基片上，形成薄膜沉積[1]。蒸發(fā)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)包括高真空腔室、蒸發(fā)材料預(yù)置坩堝或預(yù)置舟、載片行星盤、均勻性擋板等。通過在高真空下加熱預(yù)置蒸發(fā)材料使其氣化蒸發(fā)，載有晶圓產(chǎn)品的行星盤位于蒸發(fā)源的上方實(shí)現(xiàn)薄膜鍍膜。為了提高鍍膜均勻性，行星盤與蒸發(fā)源之間配置了均勻性擋板，配合行星盤在工藝過程中的勻速旋轉(zhuǎn)，用于改善鍍膜均勻性，如圖1所示。蒸發(fā)臺(tái)設(shè)備主要用于半導(dǎo)體晶體管中源極、漏極、柵極以及各類金屬布線等工藝的金屬化鍍膜，由于蒸發(fā)鍍膜工藝具有無法返工且單批次生產(chǎn)晶圓數(shù)量多的特點(diǎn)，一旦工藝過程中發(fā)生設(shè)備無法監(jiān)控的故障，所有晶圓都將報(bào)廢。

圖1 蒸發(fā)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 故障診斷分析

目標(biāo)機(jī)臺(tái)某蒸發(fā)臺(tái)在生產(chǎn)過程中曾出現(xiàn)某批次產(chǎn)品嚴(yán)重報(bào)廢情況。該批次產(chǎn)品在設(shè)備未報(bào)錯(cuò)的情況下完成蒸發(fā)工藝，目檢晶圓產(chǎn)品上有清晰的不規(guī)則蒸發(fā)薄膜圖形，有些地方鍍有金屬，有些地方完全沒有蒸鍍金屬，經(jīng)過方阻測(cè)試也驗(yàn)證了目檢結(jié)果。經(jīng)過對(duì)設(shè)備硬件的檢查，發(fā)現(xiàn)行星盤載片系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，再次檢查傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)行星盤傳動(dòng)渦輪軸發(fā)生斷裂。初步推斷傳動(dòng)系統(tǒng)失效，載有晶圓產(chǎn)品的行星盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)的晶圓產(chǎn)品在蒸發(fā)工藝過程中，部分晶圓被均勻性擋板擋住無法鍍膜，部分晶圓被裸露出來獲得鍍膜，導(dǎo)致最終出現(xiàn)圖形印記明顯的薄膜圖形，形成的圖形印記與均勻性擋板形狀一致。

分析可知，設(shè)備在行星盤傳動(dòng)軸斷裂無法轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，監(jiān)控參數(shù)中Rotary drive speed一欄一直穩(wěn)定在正常值圍范內(nèi)，表明軟件未能監(jiān)控到行星盤轉(zhuǎn)速異常，即設(shè)備所獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)為假信號(hào)，晶圓產(chǎn)品在設(shè)備異常情況下完成了整個(gè)工藝過程，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

為了查明出現(xiàn)上述轉(zhuǎn)速信號(hào)異常現(xiàn)象的原因，摸排分析設(shè)備電路圖和硬件，設(shè)備電腦在工藝程序開始后，將Recipe中預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速大小信號(hào)傳輸至電機(jī)變頻器（Hitachi L200），由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而通過渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)行星盤系統(tǒng)進(jìn)行一定轉(zhuǎn)速的圓周運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，變頻器將其控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳遞給PLC，作為行星盤轉(zhuǎn)速的模擬量輸入，即軟件監(jiān)控欄中的Rotary drive speed數(shù)值，控制簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有行星盤系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖

這套系統(tǒng)固然可以對(duì)行星盤的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，然而返回電腦端用于監(jiān)控的轉(zhuǎn)速信號(hào)是變頻器直接輸出的信號(hào)，并沒有對(duì)后道的電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及行星盤做實(shí)時(shí)監(jiān)控。換言之，如果上述三處的任何一處出現(xiàn)異?；蚴闆r，電腦端獲得的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)卻仍然是正常的，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

2 改造方案

經(jīng)過反復(fù)論證和驗(yàn)證，提出了針對(duì)行星盤轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的改造方案，擬通過設(shè)備改造將行星盤的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給電腦，避免設(shè)備出現(xiàn)故障誤判，提高生產(chǎn)可靠性。改造方案控制簡(jiǎn)圖如圖3所示，切斷變頻器對(duì)電腦的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，在整個(gè)系統(tǒng)中加裝霍爾傳感器、頻率運(yùn)算器并對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)作部分優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)信號(hào)的采集和處理，將此信號(hào)接入電腦端口實(shí)現(xiàn)行星盤轉(zhuǎn)速的監(jiān)控，提高設(shè)備的工藝性能的可靠性。

圖3 擬改造方案行星盤系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖

2.1 傳感器選型

由于被監(jiān)控對(duì)象行星盤處于高真空環(huán)境中，且蒸發(fā)工藝過程中真空腔內(nèi)存在高溫、金屬薄膜污染等干擾，采集獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)的傳感器選型尤為重要。各類直接接觸式傳感器在蒸發(fā)環(huán)境下工作存在一定風(fēng)險(xiǎn)且從大氣環(huán)境到真空環(huán)境的信號(hào)線接入也有一定難度，不予考慮。通過在真空外腔壁放置非接觸式傳感器，使其感應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)，霍爾傳感器可通過磁場(chǎng)作用獲得電壓信號(hào)，其工作機(jī)制為載流子在磁場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，在兩側(cè)建立起霍爾電壓。金屬腔壁對(duì)其不存在信號(hào)干擾，且可進(jìn)行非接觸測(cè)量[2]。故采用霍爾傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)采集。

在腔內(nèi)行星盤上合適位置安裝小磁鐵，跟隨行星盤共同轉(zhuǎn)動(dòng)，在相應(yīng)的腔外壁上安裝霍爾傳感器，用于檢測(cè)小磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。在行星盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，小磁鐵每經(jīng)過一次霍爾傳感器感應(yīng)區(qū)域，會(huì)在傳感器端感應(yīng)出霍爾電壓，經(jīng)過放大整形在輸出端獲得電壓脈沖信號(hào)，相鄰兩次脈沖之間的時(shí)間即為行星盤轉(zhuǎn)動(dòng)的周期。整個(gè)測(cè)量模塊的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 行星盤轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 頻率運(yùn)算器信號(hào)處理

針對(duì)采樣的電壓信號(hào)，計(jì)算出脈沖信號(hào)頻率，該頻率與行星盤轉(zhuǎn)速正相關(guān)，即可用于表征轉(zhuǎn)速大小。頻率運(yùn)算器可以將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓或者電流信號(hào)，用于表征頻率大小。由于行星盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相對(duì)較低，適合運(yùn)用測(cè)周期法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，測(cè)量機(jī)制如圖5所示[3]。

圖5 運(yùn)用測(cè)周期法測(cè)量信號(hào)頻率

被測(cè)脈沖信號(hào)作為門控信號(hào)控制主門的開啟，在主門開啟周期內(nèi)對(duì)固有晶振頻率進(jìn)行信號(hào)采集，對(duì)晶振脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若晶振周期為Tx，門控周期內(nèi)計(jì)數(shù)為n，則被測(cè)脈沖信號(hào)的頻率f可以表示為：

頻率運(yùn)算器將通過上式運(yùn)算所得的數(shù)值轉(zhuǎn)化為電壓或電流模擬量信號(hào)接入電腦端相應(yīng)端口，即可實(shí)現(xiàn)行星盤轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)采集。IFM DW2503型頻率運(yùn)算器終端連接定義如圖6所示。外部供電電壓1、2腳接入直流電源或7、8腳接入交流電源，被測(cè)脈沖信號(hào)來源若為PNP型傳感器接入4、5、6腳，若為npn型接入5、6、10腳，接收頻率信號(hào)若要求為電壓信號(hào)則輸出端接23、24腳，若要求輸出電流信號(hào)則接22、23腳。

圖6 DW2503型頻率運(yùn)算器終端連接定義

2.3 改造方案驗(yàn)證

在行星盤機(jī)構(gòu)上安裝磁鐵做共同轉(zhuǎn)動(dòng)，外腔壁安裝霍爾傳感器感應(yīng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，所獲得脈沖信號(hào)經(jīng)過頻率運(yùn)算器輸出頻率模擬量信號(hào)，接入PLC端用于表征監(jiān)控實(shí)時(shí)行星盤轉(zhuǎn)速，在設(shè)備電腦軟件上設(shè)定合理的安全轉(zhuǎn)速范圍，若超出該范圍則認(rèn)為轉(zhuǎn)速異常，工藝過程緊急中斷等候處理，如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)定安全轉(zhuǎn)速范圍

為了進(jìn)一步測(cè)試改造方案實(shí)施效果，模擬行星盤轉(zhuǎn)速異常現(xiàn)象，在設(shè)備正常工藝過程中，突然人工地把行星盤停轉(zhuǎn)，設(shè)備立即收到轉(zhuǎn)速異常的信號(hào)，并在軟件中報(bào)錯(cuò)，停止工藝。經(jīng)過轉(zhuǎn)速系統(tǒng)異常場(chǎng)景模擬，軟件端獲得報(bào)錯(cuò)反饋如圖8所示。

圖8 模擬異常場(chǎng)景測(cè)試軟件報(bào)錯(cuò)反饋

3 總 結(jié)

經(jīng)過對(duì)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的改造，設(shè)備電腦上可以實(shí)時(shí)監(jiān)控行星盤的轉(zhuǎn)速。并在轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常時(shí)中斷工藝，等待工程師處理，避免了晶圓產(chǎn)品的成批報(bào)廢，降低因設(shè)備運(yùn)行異常而導(dǎo)致的產(chǎn)品品質(zhì)變異，提高該類設(shè)備工藝生產(chǎn)的可靠性。同時(shí)將此改造方案應(yīng)用于類似蒸發(fā)設(shè)備上，測(cè)試效果良好。