解 晗，申 強，葛榮祥

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京210016)

蒸發(fā)臺廣泛應用于半導體器件加工過程，原理是利用各種方式獲得熱量將目標材料加熱至蒸氣相，呈氣態(tài)的原子在高真空環(huán)境下經過一定距離的擴散附著在預先放置的基片上，形成薄膜沉積[1]。蒸發(fā)臺的基本結構包括高真空腔室、蒸發(fā)材料預置坩堝或預置舟、載片行星盤、均勻性擋板等。通過在高真空下加熱預置蒸發(fā)材料使其氣化蒸發(fā)，載有晶圓產品的行星盤位于蒸發(fā)源的上方實現(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，用于改善鍍膜均勻性，如圖1所示。蒸發(fā)臺設備主要用于半導體晶體管中源極、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晶圓數(shù)量多的特點，一旦工藝過程中發(fā)生設備無法監(jiān)控的故障，所有晶圓都將報廢。

圖1 蒸發(fā)臺結構簡圖

1 故障診斷分析

目標機臺某蒸發(fā)臺在生產過程中曾出現(xiàn)某批次產品嚴重報廢情況。該批次產品在設備未報錯的情況下完成蒸發(fā)工藝，目檢晶圓產品上有清晰的不規(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，經過方阻測試也驗證了目檢結果。經過對設備硬件的檢查，發(fā)現(xiàn)行星盤載片系統(tǒng)無法實現(xiàn)正常轉動，再次檢查傳動系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)行星盤傳動渦輪軸發(fā)生斷裂。初步推斷傳動系統(tǒng)失效，載有晶圓產品的行星盤無法轉動，停止轉動的晶圓產品在蒸發(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，設備在行星盤傳動軸斷裂無法轉動的情況下，監(jiān)控參數(shù)中Rotary drive speed一欄一直穩(wěn)定在正常值圍范內，表明軟件未能監(jiān)控到行星盤轉速異常，即設備所獲得的轉速信號為假信號，晶圓產品在設備異常情況下完成了整個工藝過程，導致產品報廢。

為了查明出現(xiàn)上述轉速信號異?，F(xiàn)象的原因，摸排分析設備電路圖和硬件，設備電腦在工藝程序開始后，將Recipe中預設的轉速大小信號傳輸至電機變頻器（Hitachi L200），由變頻器控制電機的轉動速度，進而通過渦輪蝸桿傳動機構帶動行星盤系統(tǒng)進行一定轉速的圓周運動。同時，變頻器將其控制電機轉速的信號直接轉換為電壓信號傳遞給PLC，作為行星盤轉速的模擬量輸入，即軟件監(jiān)控欄中的Rotary drive speed數(shù)值，控制簡圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有行星盤系統(tǒng)控制簡圖

這套系統(tǒng)固然可以對行星盤的轉速進行控制，然而返回電腦端用于監(jiān)控的轉速信號是變頻器直接輸出的信號，并沒有對后道的電機、傳動系統(tǒng)及行星盤做實時監(jiān)控。換言之，如果上述三處的任何一處出現(xiàn)異?；蚴闆r，電腦端獲得的轉速反饋信號卻仍然是正常的，將會導致系統(tǒng)風險。

2 改造方案

經過反復論證和驗證，提出了針對行星盤轉速系統(tǒng)的改造方案，擬通過設備改造將行星盤的實時轉速信號傳遞給電腦，避免設備出現(xiàn)故障誤判，提高生產可靠性。改造方案控制簡圖如圖3所示，切斷變頻器對電腦的轉速反饋信號，在整個系統(tǒng)中加裝霍爾傳感器、頻率運算器并對設備結構作部分優(yōu)化，實現(xiàn)對轉速實時信號的采集和處理，將此信號接入電腦端口實現(xiàn)行星盤轉速的監(jiān)控，提高設備的工藝性能的可靠性。

圖3 擬改造方案行星盤系統(tǒng)控制簡圖

2.1 傳感器選型

由于被監(jiān)控對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存在高溫、金屬薄膜污染等干擾，采集獲得轉速信號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險且從大氣環(huán)境到真空環(huán)境的信號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，使其感應獲得轉速信號，霍爾傳感器可通過磁場作用獲得電壓信號，其工作機制為載流子在磁場環(huán)境下運動，受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，在兩側建立起霍爾電壓。金屬腔壁對其不存在信號干擾，且可進行非接觸測量[2]。故采用霍爾傳感器進行轉速信號采集。

在腔內行星盤上合適位置安裝小磁鐵，跟隨行星盤共同轉動，在相應的腔外壁上安裝霍爾傳感器，用于檢測小磁鐵轉動。在行星盤轉動過程中，小磁鐵每經過一次霍爾傳感器感應區(qū)域，會在傳感器端感應出霍爾電壓，經過放大整形在輸出端獲得電壓脈沖信號，相鄰兩次脈沖之間的時間即為行星盤轉動的周期。整個測量模塊的硬件結構示意圖如圖4所示。

圖4 行星盤轉速測量模塊結構示意圖

2.2 頻率運算器信號處理

針對采樣的電壓信號，計算出脈沖信號頻率，該頻率與行星盤轉速正相關，即可用于表征轉速大小。頻率運算器可以將頻率信號轉化為電壓或者電流信號，用于表征頻率大小。由于行星盤轉動頻率相對較低，適合運用測周期法實現(xiàn)頻率測量，測量機制如圖5所示[3]。

圖5 運用測周期法測量信號頻率

被測脈沖信號作為門控信號控制主門的開啟，在主門開啟周期內對固有晶振頻率進行信號采集，對晶振脈沖進行計數(shù)。若晶振周期為Tx，門控周期內計數(shù)為n，則被測脈沖信號的頻率f可以表示為：

頻率運算器將通過上式運算所得的數(shù)值轉化為電壓或電流模擬量信號接入電腦端相應端口，即可實現(xiàn)行星盤轉速的實時采集。IFM DW2503型頻率運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，被測脈沖信號來源若為PNP型傳感器接入4、5、6腳，若為npn型接入5、6、10腳，接收頻率信號若要求為電壓信號則輸出端接23、24腳，若要求輸出電流信號則接22、23腳。

圖6 DW2503型頻率運算器終端連接定義

2.3 改造方案驗證

在行星盤機構上安裝磁鐵做共同轉動，外腔壁安裝霍爾傳感器感應磁鐵轉動，采集轉速信號，所獲得脈沖信號經過頻率運算器輸出頻率模擬量信號，接入PLC端用于表征監(jiān)控實時行星盤轉速，在設備電腦軟件上設定合理的安全轉速范圍，若超出該范圍則認為轉速異常，工藝過程緊急中斷等候處理，如圖7所示。

圖7 軟件設定安全轉速范圍

為了進一步測試改造方案實施效果，模擬行星盤轉速異?，F(xiàn)象，在設備正常工藝過程中，突然人工地把行星盤停轉，設備立即收到轉速異常的信號，并在軟件中報錯，停止工藝。經過轉速系統(tǒng)異常場景模擬，軟件端獲得報錯反饋如圖8所示。

圖8 模擬異常場景測試軟件報錯反饋

3 總 結

經過對轉速系統(tǒng)的改造，設備電腦上可以實時監(jiān)控行星盤的轉速。并在轉速出現(xiàn)異常時中斷工藝，等待工程師處理，避免了晶圓產品的成批報廢，降低因設備運行異常而導致的產品品質變異，提高該類設備工藝生產的可靠性。同時將此改造方案應用于類似蒸發(fā)設備上，測試效果良好。