離子束刻蝕設(shè)備中離子源故障診斷和維修

趙建恒

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

離子束加工是利用能量極高的離子束，在真空腔體內(nèi)沖擊工件，使材料熔化、蒸發(fā)、汽化，從而達到加工的目的。由離子源讓惰性氣體離子化，由負極引出陽離子，經(jīng)過加速，集束，最后射入工件表面。離子束加工主要有3個應(yīng)用領(lǐng)域：離子濺射、電鍍；離子刻蝕；離子注入。此外在光刻工藝中也有應(yīng)用，如離子束曝光。

離子束加工是一種非接觸精密加工技術(shù)，真空環(huán)境下，無污染，不氧化。它需要一套離子源和真空系統(tǒng)[1]。

離子束加工設(shè)備中的核心部件是離子源，本文以EVATEC的離子銑（離子束刻蝕）BAK641為例，介紹VECOO直流柵極離子源及其電源MPS5001的結(jié)構(gòu)和原理特點，結(jié)合離子銑剖析離子源常見故障，總結(jié)故障原因和影響離子源正常工作的主要因素，給出解決方法，降低故障率，提高設(shè)備使用效率和加工質(zhì)量。

1 BAK641離子刻蝕機

離子銑是利用離子束轟擊固體表面的濺射作用，剝離加工各種幾何圖形的一種新工藝。刻蝕過程純物理濺射。

1.1 離子銑的真空系統(tǒng)

設(shè)備的真空系統(tǒng)比較簡單，但真空度也是離子源正常工作的因素之一。如圖1所示。機械泵用來預抽真空室，冷泵再生時，機械泵對冷泵抽氣。冷泵再生完成后，初級閥V3關(guān)閉，通過開啟高閥由冷泵來對真空室抽真空。真空室壓力由真空計P3檢測。V1為放氣閥。反應(yīng)氣體通過質(zhì)量流量計和閥門分四路進入真空室。進行離子刻蝕時候，一般真空壓力保持在1.0×10-2Pa。此外真空室外壁有加熱系統(tǒng)進行加溫。

圖1 設(shè)備的真空系統(tǒng)示意圖

1.2 離子銑的控制系統(tǒng)

離子銑的控制系統(tǒng)由一臺計算機作為控制主機，通過HUB連接串口以太轉(zhuǎn)換器、電源箱控制和水路控制模塊，后三者對應(yīng)獨立的IP地址，一般以198，68，x，x為標示。如圖2所示。串口以太轉(zhuǎn)換器NPort751通過串行通訊RS232與冷泵控制器和MPS 5001離子源電源控制器連接。任何模塊通訊失敗會有對應(yīng)報警。MPS5001通訊失敗時，設(shè)備只能手動運行離子源，不能自動執(zhí)行程序。

圖2 控制系統(tǒng)原理示意圖

2 VEECO離子源

離子源是使中性原子或分子電離，并從中引出離子束流的裝置。在各類離子源中，用得最多的是等離子體離子源，即用電場將離子從一團等離子體中引出來。這類離子源的主要參數(shù)由等離子體的密度、溫度和引出系統(tǒng)的質(zhì)量決定。屬于這類離子源的有:潘寧放電型離子源射頻離子源、微波離子源、雙等離子體源、Kaufman離子源[2]、霍爾離子源等。

考夫曼離子源是應(yīng)用較早的離子源，屬于柵格式離子源。首先由陰極在內(nèi)腔產(chǎn)生等離子體，然后由2或3層柵格將離子從等離子腔體內(nèi)抽取出來。方向性強，能量集中帶寬集中。

2.1 離子源

采用Veeco的6 cm×30 cm直流柵極離子源，結(jié)構(gòu)如圖3左半部分所示，包括陰極燈絲、陽極、簾柵極、加速極等[3]。當加電通氣，氣體從底部進入離子源放電腔體后，受到陰極燈絲發(fā)射的電子的轟擊。由于周圍都是陽極正電位，氣體很容易被電離。電離開始后，啟動電阻上的壓降成為陽極和陰極之間的電位，即放電電壓。此時放電腔體內(nèi)除了陽極，都是陰極電位。放電電流不再流過啟動電阻，而是由陽極流走。磁場增強了電子與氣體的碰撞，離子向各個方向運動。在簾柵極與加速極的提取下，離子束流會沖向靶材，完成工藝。

圖3 離子源及其電源連接示意

2.2 離子源電源MPS 5001

MPS 5001包括一個控制模塊、PBN中和模塊、加速極電源模塊、陰極燈絲電源模塊、放電電壓模塊和束流電源模塊。專門用于Veeco離子源。如圖3中虛線框內(nèi)所示。它有Remote、Manual、Local等工作方式。放電模塊的總功率不要大于220W，為了延長燈絲和柵極使用壽命，要反復調(diào)整電源的各個電壓，電流的限定值，如燈絲電流、放電電壓等。調(diào)整中和電流使發(fā)射電流是束流的100%或者125%，加速電流一般為束流的10%。

2.3 PBN 中和器（neutralizer）

中和器向離子源引出的離子束發(fā)射電子，使束電流和束電荷得到中和的離子發(fā)射部件。中和器內(nèi)部放電由燈絲變壓器和殼體（body）之間的電壓維持，一般為20～25 V。發(fā)射電壓加在燈絲變壓器和設(shè)備地之間，給整個PBN對地提供了一個40～46 V的負偏壓，使得中和電子能夠大量進入離子束流中。

一般調(diào)整發(fā)射電流大于等于束流時候，中和效果最好。

中和器按工作方式可以分為外置式熱陰極中和器、浸沒式熱陰極中和器和等離子體橋中和器3類。文中采用是等離子橋中和器（PBN）。圖4為其結(jié)構(gòu)示意圖。

離子源柵極引出的是帶正電的離子束。為了避免靶材或加工表面積累電荷，需要中和離子束電流；為了減少離子束中的空間電荷，以繼續(xù)引出離子，需要中和離子束電荷。為此，需要在放電室和柵極外邊設(shè)置中和器，向離子束發(fā)射與束電流等量的電子流。

圖4 PBN中和模塊示意圖

3 常見故障及解決方法

理解設(shè)備總體結(jié)構(gòu)控制原理和離子源結(jié)構(gòu)工作原理有助于迅速分析判斷故障，找出故障原因。在日常維護中要經(jīng)常清洗腔體，檢查真空度，氣體流量等。一般故障通過檢查模塊保險絲，清洗離子源可以解決。但對于離子源的一些軟故障，需要熟悉其工作原理，能夠反復調(diào)整電源參數(shù)來解決。根據(jù)維修中的心得總結(jié)出離子束刻蝕機常見故障及解決方法如表1所示。

表1 常見故障及解決方法

4 結(jié)束語

隨著離子源技術(shù)的研究發(fā)展，離子束加工技術(shù)在半導體設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣，熟悉離子源的原理，掌握離子源的維修維護技術(shù)，保證設(shè)備的正常運行具有非常重要的意義。

要想做好離子束刻蝕機的設(shè)備維修應(yīng)重點注意以下幾點：對設(shè)備的原理，結(jié)構(gòu)熟練掌握；突破傳統(tǒng)的維修觀念，學習利用故障樹，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)等智能故障診斷技術(shù)[4]，層層深入，少走彎路，提高維修效率；維修時要思路開闊，全面，思路清晰。

[1] 武建芬.離子束加工技術(shù)研究[D].長春：中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所），2010.

[2] 馮毓材，馮雋，劉強.輔助鍍膜用K系列強流寬束考夫曼離子源 [J].激光與紅外，2006，36(12)：1168-1170.

[3] Ion Tech，Inc.MPS 5001 Power Supply[Z].

[4] 李偉.復雜系統(tǒng)的智能故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].計算機仿真，2004，21(10)：4-7.