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        改造蒸發(fā)臺(tái)行星盤系統(tǒng)提升工藝可靠性

        2022-07-15 01:43:00葛榮祥
        電子工業(yè)專用設(shè)備 2022年2期
        關(guān)鍵詞:鍍膜行星監(jiān)控

        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。

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