大束流離子注入機(jī)常見(jiàn)故障分析與維修

唐紅躍，宋 寧，曾烊生，陳賢杰

（華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠 233030）

0 引言

半導(dǎo)體生產(chǎn)摻雜是一門(mén)將所需雜質(zhì)引入硅中，以此改變其導(dǎo)電特性并最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以通過(guò)離子注入或擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)，但由于離子注入方式相較于擴(kuò)散有很多優(yōu)點(diǎn)，因此當(dāng)前大部分摻雜都是通過(guò)離子注入方式實(shí)現(xiàn)的[1]。半導(dǎo)體離子注入工藝由離子注入機(jī)完成，離子注入設(shè)備是半導(dǎo)體產(chǎn)線(xiàn)中至關(guān)重要的設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障而未能及時(shí)恢復(fù)，將影響整條產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行。鑒于當(dāng)前國(guó)內(nèi)6 吋、8 吋產(chǎn)線(xiàn)大束流注入機(jī)主流機(jī)型為9500 且國(guó)內(nèi)關(guān)于該型離子注入機(jī)在故障維修方面的相關(guān)技術(shù)文章較少，因此，對(duì)其常見(jiàn)故障進(jìn)行分析和探討具有一定的意義。

1 大束流9500 注入機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理

離子注入機(jī)利用特定離子對(duì)晶片特定部位進(jìn)行特定深度的注入，實(shí)現(xiàn)柵閾值調(diào)整、Halo 注入、源漏極的形成、多晶硅柵極的摻雜、N/P 阱形成、倒摻雜阱形成等[2]。為實(shí)現(xiàn)上述功能，大束流9500 注入機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括離子源、吸極、分析磁篩分器、束流調(diào)節(jié)器、后加速、等離子槍、束流檢測(cè)器（圖1）。

圖1 大束流9500 注入機(jī)結(jié)構(gòu)

其工作原理主要為：離子源將常用的如BF3、PH3、AsH3等雜質(zhì)氣體源電離形成等離子體以得到所需的離子，吸極上加高壓（kV），一方面將正離子從等離子體中引出形成離子束，另一方面將離子束進(jìn)行前級(jí)加速使其在進(jìn)入分析磁篩分器前具有一定的動(dòng)能；分析磁篩分器對(duì)加速后的離子進(jìn)行篩選，在洛倫茲力的作用下只有特定質(zhì)荷比的離子可以通過(guò)，從而得到所需的離子[3]，束流調(diào)節(jié)器通過(guò)調(diào)節(jié)自身通道的寬窄對(duì)篩分后的離子束進(jìn)行束流整形和大小調(diào)節(jié)，離子束繼續(xù)前行至后加速內(nèi)，通過(guò)對(duì)后加速加高電壓（kV）可以再一次對(duì)離子束進(jìn)行加速，獲得更高的能量；而后離子束進(jìn)入工藝腔開(kāi)始注入，注入過(guò)程中等離子槍持續(xù)發(fā)射電子對(duì)離子束正離子進(jìn)行中和，以使離子束呈電中性，而束流檢測(cè)器一方面可以計(jì)算注入到晶圓中的雜質(zhì)劑量，另一方面作為束流的輸出終端可以將束流完全吸收。

2 常見(jiàn)故障及處理方法

2.1 常見(jiàn)故障

大束流9500 注入機(jī)在調(diào)節(jié)束流時(shí)，吸極上通常要加高達(dá)60 kV 的電壓，一方面將正離子從離子源弧室端部狹縫中引出形成離子束，另一方面對(duì)離子束進(jìn)行首輪加速，對(duì)應(yīng)到軟件束流調(diào)節(jié)界面參數(shù)選項(xiàng)“Pre-accel”，稱(chēng)之為前加速。相應(yīng)地，后加速所加高壓通?？蛇_(dá)100 kV，當(dāng)束流在進(jìn)入工藝腔準(zhǔn)備注入前會(huì)經(jīng)過(guò)后加速管道再一次被加速，使束流達(dá)到設(shè)定的能量以保證注入的結(jié)深符合要求，稱(chēng)之為后加速，對(duì)應(yīng)到軟件束流調(diào)節(jié)界面參數(shù)選項(xiàng)“PostA”。因此一旦前級(jí)和后級(jí)高壓不能正常加載，將導(dǎo)致束流無(wú)輸出、引束失敗，無(wú)法開(kāi)展工藝生產(chǎn)工作。而這也正是大束流9500 注入機(jī)常見(jiàn)的一種故障。

2.2 排查方法與處理措施

如果9500 注入機(jī)在自動(dòng)調(diào)束流時(shí)前后級(jí)高壓加載出現(xiàn)問(wèn)題，其在軟件界面上方會(huì)跳出錯(cuò)誤信息，同時(shí)在參數(shù)錯(cuò)誤位置處會(huì)標(biāo)紅，設(shè)備人員很容易判斷。結(jié)合近幾年的維修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)離子注入機(jī)前后級(jí)高壓無(wú)法加載故障的6 種可能原因與相應(yīng)的處理方法進(jìn)行歸納與總結(jié)如下。

2.2.1 高壓接地互鎖故障

設(shè)備調(diào)束流時(shí)因需在前級(jí)和后級(jí)加高電壓，其自身設(shè)置有接地保護(hù)裝置，稱(chēng)之為高壓互鎖，一旦高壓互鎖條件不滿(mǎn)足設(shè)備將無(wú)法加高壓。因此，可首先考慮設(shè)備高壓接地棒位置狀態(tài)和接地功能是否正常。通常9500 注入機(jī)在維修門(mén)內(nèi)外側(cè)都設(shè)有接地棒，起束流前需將接地棒位置擺放正確（圖2）。尤其對(duì)于維修門(mén)內(nèi)接地棒，經(jīng)常由于在拆裝離子源前需要臨時(shí)將其懸掛在離子源腔室門(mén)上方吊鉤處（圖3），以對(duì)設(shè)備進(jìn)行放電消除安全隱患，當(dāng)離子源安裝好后經(jīng)常會(huì)忽略將接地棒懸掛回原位置這一動(dòng)作，導(dǎo)致加高壓時(shí)出現(xiàn)短路觸發(fā)互鎖保護(hù)而報(bào)故障。如果內(nèi)外接地棒位置放置正確，則要排查接地棒的接地性能是否正常，確定高壓故障不是這方面的原因所致。

圖2 內(nèi)外接地棒正常狀態(tài)

圖3 內(nèi)接地棒臨時(shí)狀態(tài)

2.2.2 防輻射互鎖故障

離子注入機(jī)在調(diào)束流過(guò)程中是用高電場(chǎng)加速離子，會(huì)有電子高速撞擊到金屬上產(chǎn)生X射線(xiàn)，從而帶來(lái)輻射危害，因此設(shè)備本身在很多關(guān)鍵部位安裝有防輻射鉛板并設(shè)有互鎖連接，稱(chēng)之為輻射互鎖。一旦防輻射鉛板沒(méi)有正確安裝到位或傳感器失效將會(huì)觸發(fā)互鎖連接，導(dǎo)致前后級(jí)高壓無(wú)法加載。9500 注入機(jī)在離子源腔、吸極腔、分析磁篩分器、束流檢測(cè)器外部均設(shè)有防輻射鉛板及對(duì)應(yīng)傳感器，可重點(diǎn)檢查這幾處輻射互鎖條件是否滿(mǎn)足，對(duì)應(yīng)傳感器是否損壞（圖4）。

圖4 防輻射互鎖傳感器

2.2.3 bushing 陶瓷環(huán)絕緣故障

9500 注入機(jī)離子源和吸極之間的高壓絕緣是通過(guò)bushing陶瓷環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，隨著使用時(shí)間和強(qiáng)度的增加，吸極會(huì)由于絕緣柱臟污、去離子水電導(dǎo)率過(guò)高、真空度過(guò)低等原因出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象。它引起的電弧會(huì)將bushing 陶瓷環(huán)內(nèi)表面打出一道道溝痕，產(chǎn)生的灰塵和臟污沉積在溝痕內(nèi)，導(dǎo)致溝痕區(qū)域的絕緣性大大降低（圖5）。一旦溝痕沿內(nèi)壁逼近連成一條通線(xiàn)，則吸極加高壓時(shí)將直接導(dǎo)通而發(fā)生短路，出現(xiàn)故障。因此，如果設(shè)備吸極高壓無(wú)法加載，可以考慮開(kāi)腔檢查bushing 陶瓷環(huán)的狀態(tài)，臨時(shí)解決措施可用打磨機(jī)將溝痕內(nèi)的臟污打磨干凈并用雙氧水進(jìn)行清潔，長(zhǎng)久使用考慮將bushing 陶瓷環(huán)送出翻新或更換。

圖5 bushing 陶瓷環(huán)內(nèi)表面溝痕

2.2.4 干泵尾排管絕緣故障

離子源腔抽粗真空用的干泵安裝在設(shè)備內(nèi)部鋁合金框架上，其尾排管（圖6）與設(shè)備外部排風(fēng)管相連。當(dāng)設(shè)備后級(jí)加高壓時(shí)，因干泵處于同等電位，所以干泵上也為高壓電勢(shì)，這就要求其尾排管具有良好的絕緣性。但是由于設(shè)備在進(jìn)行工藝時(shí)，其源腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生諸多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)經(jīng)過(guò)干泵粗抽后會(huì)通過(guò)尾排管向外排放，尾排管長(zhǎng)久使用內(nèi)壁易沉積雜質(zhì)，導(dǎo)致其絕緣性降低。一旦后級(jí)加高電壓很容易出現(xiàn)短路而觸發(fā)設(shè)備高壓互鎖，導(dǎo)致后級(jí)高壓無(wú)法加載。因此，對(duì)于后級(jí)高壓故障，可考慮拆下源區(qū)干泵尾排管進(jìn)行檢查，必要時(shí)進(jìn)行清洗或更換。

圖6 干泵尾排管

2.2.5 光纖通信故障

大束流9500 注入機(jī)通過(guò)光纖連接，以DAQ 板作為光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)通信。如果高壓無(wú)法加載，則考慮光纖通信是否存在異常?？蓹z查DAQ 板指示燈閃爍狀態(tài)是否正常，如指示燈常亮或常滅，表明DAQ 板存在問(wèn)題，可能接觸不良或者損壞。將DAQ 板拔出用酒精清潔接頭并壓空吹掃，插回原處進(jìn)行高壓測(cè)試，如故障仍未恢復(fù)則考慮更換DAQ 板再進(jìn)行測(cè)試。如果排除DAQ 板故障，則考慮是否光纖受損有折彎導(dǎo)致光纖出光不強(qiáng)，可以嘗試更換光纖后再進(jìn)行測(cè)試。

2.2.6 電源故障

上述步驟通?？山鉀Q大部分的高壓故障問(wèn)題，但也存在電源故障導(dǎo)致高壓無(wú)法加載的情況。這時(shí)可以檢測(cè)吸極和后加速電源機(jī)箱供電電壓，檢查機(jī)箱內(nèi)供電繼電器能否吸合，利用高壓衰減探棒測(cè)試電源輸出電壓是否跟隨其控制信號(hào)而改變，如果確定電源存在故障則需要更換電源恢復(fù)設(shè)備。由于長(zhǎng)久使用，機(jī)箱內(nèi)部易吸附灰塵、導(dǎo)致部分短路，因此有些情況下用壓空對(duì)機(jī)箱進(jìn)行吹掃清潔也可使電源恢復(fù)正常工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

作為半導(dǎo)體工藝中最復(fù)雜的設(shè)備之一，離子注入機(jī)的故障種類(lèi)較多，維修難度較大。本文以大束流9500 注入機(jī)為研究對(duì)象，以其較為常見(jiàn)的前后級(jí)高壓無(wú)法加載問(wèn)題為切入點(diǎn)，結(jié)合自身維修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)故障的6 種可能原因與相應(yīng)的處理方法進(jìn)行歸納與總結(jié)，為相關(guān)設(shè)備維修提供參考和思路。