故障樹分析法在RIE故障診斷中的應(yīng)用

馬培圣

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

在半導(dǎo)體工業(yè)中，在襯底上生產(chǎn)的器件密度越來越高，集成電路及超大規(guī)模集成電路所占的比例也越來越大，其制作流程非常復(fù)雜，一般需要經(jīng)過大約數(shù)百個(gè)不同的工藝步驟，刻蝕[1]是其中非常重要的一環(huán)，它是把進(jìn)行光刻之前晶片上淀積的薄膜中沒有被光刻膠覆蓋和保護(hù)的部分，用化學(xué)反應(yīng)或物理作用的方式去除，以完成掩模圖案轉(zhuǎn)移到薄膜上的目的。而反應(yīng)離子刻蝕（RIE）就是現(xiàn)代半導(dǎo)體刻蝕的一種主流設(shè)備。由于摩爾定律的相對有效性，這些半導(dǎo)體設(shè)備的復(fù)雜性也在增加，對設(shè)備可靠性的要求也越來越高。這就需要維修人員做好設(shè)備保障工作以提高設(shè)備利用率。

1 RIE工藝中的啟輝

RIE是以等離子體[2]為介質(zhì)進(jìn)行刻蝕的一種技術(shù)。它最主要的優(yōu)點(diǎn)是所謂的高選擇性和各向異性刻蝕，是通過物理和化學(xué)兩種反應(yīng)的方式來去除薄膜，它用粒子直接轟擊薄膜同時(shí)借粒子和薄膜間的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)刻蝕，而等離子體就是這種粒子，它是“物質(zhì)的第四態(tài)”，是以可流動(dòng)的很多帶電離子、原子團(tuán)、分子及電子組成的體系。在RIE設(shè)備中，反應(yīng)室抽至高真空后，通入工藝要求且按一定配比的反應(yīng)氣體，并保持一定的氣體流量和壓力，用13.56 MHz的射頻電源（RF）加在反應(yīng)室上電極，這些原本是中性的氣體分子就被激發(fā)或解離出各種等離子體，即通過氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)產(chǎn)生肉眼可見的輝光，這就是啟輝。

2 故障樹分析法[3]概述

故障樹分析FTA（Fault Tree Analysis）是目前國內(nèi)外普遍公認(rèn)的對復(fù)雜系統(tǒng)安全性和可靠性比較實(shí)用的分析方法，是一種自上而下逐級展開的演繹分析法[4]。它以系統(tǒng)故障的事件為頂事件，向下逐級找出導(dǎo)致該頂事件的各種直接原因（事件），然后以一種倒立的樹狀因果圖來表示其中的邏輯關(guān)系，其目的是判斷基本故障，分析故障原因、估算故障影響和總結(jié)發(fā)生概率等。

3 繪制故障樹分析啟輝故障

當(dāng)刻蝕工藝過程輝光昏暗或完全沒有輝光時(shí)，會(huì)出現(xiàn)襯底薄膜刻蝕不盡、速率慢或刻蝕不動(dòng)的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了晶片的產(chǎn)量和合格率。造成這種故障的原因很多，圖1為針對此故障所繪的故障樹。

圖1 啟輝故障樹

通過這個(gè)故障邏輯框圖，可以推理分析出造成啟輝困難的各個(gè)要因以及可能的組合方式，進(jìn)而采取相對應(yīng)的維修措施和改進(jìn)辦法。啟輝故障主要有三個(gè)因素，造成氣體流量與工藝條件不符的原因有管路堵塞，特別是常態(tài)為液態(tài)或容易凝結(jié)的氣體，或 MFC（Mass Flow Control）故障；造成反應(yīng)室壓力不符的原因，真空系統(tǒng)故障可以通過檢漏和維修泵組解決，對于APC（Auto Pressure Control）故障，它的原理是 CM（Capacitance Meter）把當(dāng)前反應(yīng)室的真空值信號(hào)發(fā)送給APC控制器，控制器通過與設(shè)定值進(jìn)行比較，發(fā)送指令調(diào)整節(jié)流閥的旋轉(zhuǎn)角度，從而調(diào)整真空泵組的抽氣量，CM再次將測量真空值反饋給APC，通過閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)室壓力穩(wěn)定。如圖2所示。檢修時(shí)可以通過自學(xué)習(xí)操作校準(zhǔn)控制器的閥控，維修節(jié)流閥的機(jī)械卡死和電動(dòng)機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)加以解決。而引起啟輝故障最多的原因往往是反射功率大，其中AMU(Auto Match Unit）故障又首當(dāng)其沖，如圖3所示為射頻回路示意圖。它的目的是把射頻功率的有效功率即正向功率更多的耦合到放電區(qū)，AMU的作用就是在射頻源和反應(yīng)室之間匹配出一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)，使得反射回射頻源的功率最小。它的調(diào)節(jié)方法是通過反饋控制，用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)可變電容，load電容和tune電容。當(dāng)故障出現(xiàn)的現(xiàn)象是觀察到AMU控制器上C1或C2讀數(shù)一直上升，找不到匹配點(diǎn)，表明電容的齒輪錯(cuò)位，在manual狀態(tài)，將C1、C2旋鈕轉(zhuǎn)到Max位置，脫開連接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的齒輪，旋轉(zhuǎn)連接電容的從動(dòng)齒輪，當(dāng)感覺到軸上的紅色套筒變緊時(shí)，找到松緊臨界點(diǎn)，然后反向再調(diào)一圈，此時(shí)的電容值為最大，然后在AMU控制板上找到TOP10和TOP110兩點(diǎn)，測其對地電阻，分別調(diào)節(jié)RV1和RV2，使這兩點(diǎn)的電阻值最小。此時(shí)AMU的匹配已調(diào)試完畢。

圖2 反應(yīng)室壓力控制系統(tǒng)

圖3 射頻回路

3 結(jié) 語

故障樹分析法具有直觀、簡單、無需計(jì)算的特點(diǎn)，能一目了然的表達(dá)各事件間的因果關(guān)系和可能引起的后果，用于各類設(shè)備的故障診斷和定位是比較科學(xué)的，有利于檢修人員高效的分析判斷各種故障成因，制定出正確的維修措施，對減少設(shè)備的故障發(fā)生率都有非常積極的意義。

[1] 李興.超大規(guī)模集成電路技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999：166-180.

[2] 陳(F.F.陳).等離子體物理學(xué)導(dǎo)論[M].林光海譯.北京：人民教育出版社，1980.

[3] 史定華，王松瑞.故障樹分析技術(shù)方法和理論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1993.

[4] 陳毅功.半導(dǎo)體設(shè)備維修工程實(shí)務(wù)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2000，29（2）：20-27.