淺談離子注入機的維護

何科峰

中國電子科技集團公司第四十八研究所

前言

半導體生產(chǎn)摻雜把雜質(zhì)引入硅中，改變它的電學性能，這能夠通過離子注入或擴散實現(xiàn)。離子注入有眾多優(yōu)點，已大規(guī)模取代了擴散。離子注入是個物理過程，需要使用注入設備，所以離子注入機是半導體工藝中最常見的摻雜工具，它也是半導體工藝中最復雜的設備之一。注入設備主要有6個子系統(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，分析磁鐵把所需離子與其他離子分離出來。加速器將雜質(zhì)加速，通過掃描系統(tǒng)把他射向硅片。離子注入機設備涉及物理、電氣、機械、自動控制等多門類多學科的知識。

1 各類離子注入機故障檢查及排除

離子注入機設備的平均無故障工作時間（MTPF）大致就是50小時。由于許多國內(nèi)的半導體廠家及科研院所從成本方面考慮，大多數(shù)離子注入機都是從國外引進的二手設備。所以設備的故障率更高，注入機設備的穩(wěn)定工作需要維護人員不定期進行維修和保養(yǎng)。

離子注入機設備的故障大致分為：部件老化、電源故障、真空問題、系統(tǒng)沾污?，F(xiàn)在就這幾個類型的故障做簡單的分析，并結合在維修中遇到的實例加以說明。

1.1 部件老化

正是由于國內(nèi)的離子注入機大多是引進國外生產(chǎn)線下線的二手設備，所以其部件老化的問題是經(jīng)常遇到的設備故障。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間過久，光纖頭被污物遮住無法處理，導致選擇源氣、燈絲電流調(diào)節(jié)等信號紊亂。單個的元器件老化導致設備不能正常工作的故障也有很多，現(xiàn)舉兩個實例：1)VarianE1000大束流離子注入機的靶室傳片系統(tǒng)中有一傳片小車，在傳片過程中突然失控，以很快的速度來回無規(guī)則運動，經(jīng)過初步判斷是控制小車運動的編碼電機有故障。由于小車是在傳片過程中需要經(jīng)常來回運動的部件，運動產(chǎn)生的震動使編碼電機的編碼盤松動，已經(jīng)劃壞，所以致使控制小車的信號紊亂，更換編碼電機后恢復正常工作。2)Varian的中束流離子注入機CF5正常引束操作，先進行掃描調(diào)整時能看到束流和波形，當切換到注入檔時，劑量處理器（Dose processor）不能接收到束流也無掃描波形。分析故障可能是X掃描無DCoffset信號或者Y掃描無BeamGate信號。根據(jù)圖1判斷故障來自劑量處理器的BeamGate信號沒有輸出給Wayflow control。檢查Dose processor輸出BeamGate信號的三極管c1214已燒壞，更換一個新的c1214還是燒壞，再檢查c1214的輸出負載是到Wayflow control上的一個繼電器，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。一個部件甚至一個元器件損壞或失效都可能導致設備的不正常工作，所以維修時需要仔細地分析判斷問題。

圖1

1.2 電源故障

電器設備是注入機的重要組成部分，它的質(zhì)量對于注入機實現(xiàn)大面積均勻注入，保證離子注入機大批量生產(chǎn)的重復性和機器運行的穩(wěn)定可靠，均具有重要意義。其中電源又是電器設備的主要組成部分，注入機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。進行電源的檢修時需要注意電源的負載是否正常，先分析直流電路，在搞懂各單元電路的工作原理，再進行穩(wěn)壓或穩(wěn)流過程的分析。實例1：在使用Varian的中束流機DF4時發(fā)現(xiàn)燈絲電源失控，即電源一打開電流就加到最大值，導致燈絲電源的兩個功率推動管MJ10007燒毀。先將離子源進行清潔和更換燈絲，排除了負載的原因，再換上新的MJ10007重點檢查電源。該電源是典型的脈寬調(diào)整式開關電源，框圖如圖2。

圖2

首先斷開主回路，用示波器測量A1,A2兩部分對應各點的波形，通過調(diào)節(jié)控制信號觀察脈寬發(fā)生器的波形的改變，發(fā)現(xiàn)控制板的波形正常。測得電流反饋點在加負載到100A時的波形并沒有打開，只有一段很窄的高電平，判斷是新?lián)Q的MJ10007仍舊不行。選用新購的MJ10007實驗，恢復正常。實例2：Varian的大束流機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產(chǎn)生的二次電子，設備恢復正常。

1.3 真空問題

注入機設備系統(tǒng)的真空好壞，是進行整機調(diào)試的基礎也是影響均勻性指標的重要因素。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，真空問題尤為突出。在維修和保養(yǎng)過程中，潔凈的無塵紙和酒精及真空檢漏儀是需經(jīng)常用到的工具和設備，一些老化的密封圈特別在真空鎖用到的空氣密封部件，要定期進行更換才能保證使用可靠。實例：EATON的大束流注入機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)機械掃描的靶室其滑動密封的內(nèi)層密封圈由于有碎片和污物滑傷密封圈，導致真空漏氣。打開清理和換密封圈后恢復正常。

1.4 系統(tǒng)沾污，糾正措施

離子束中的沾污問題是在使用設備中常遇到的問題。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行磷注入可能會造成氫沾污

d.質(zhì)量分離后的離子束沾污 殘余氣體與離子束反應，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） 檢查能量過濾系統(tǒng)

3） 檢查系統(tǒng)成分的金屬沾污。

e.終端臺沾污 可能的沾污源有：

1） 終端臺材料（如離子束撞擊電極的濺射金屬和摻雜）

2） 來自光刻膠的堿性元素沾污

3） 法拉第杯裝置的鋁

4） 使用相同注入機的其他雜質(zhì)元素的交互沾污。

2 結束語

離子注入機作為半導體工藝中最復雜的設備之一，它的維修也是一項結合多門類學科知識的復雜工作，甚至需要結合維修者的經(jīng)驗。結合實際問題具體地去分析和判斷，這里只能粗略的結合幾個例子來探討，至于更細節(jié)的問題這里不再論述。