離子束刻蝕設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，在真空腔體內沖擊工件，使材料熔化、蒸發、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，經過加速，集束，最后射入工件表面。離子束加工主要有3個應用領域：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用，如離子束曝光。

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

離子束加工設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的結構和原理特點，結合離子銑剖析離子源常見故障，總結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，提高設備使用效率和加工質量。

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

設備的真空系統比較簡單，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。反應氣體通過質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進行加溫。

圖1 設備的真空系統示意圖

1.2 離子銑的控制系統

離子銑的控制系統由一臺計算機作為控制主機，通過HUB連接串口以太轉換器、電源箱控制和水路控制模塊，后三者對應獨立的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報警。MPS5001通訊失敗時，設備只能手動運行離子源，不能自動執行程序。

圖2 控制系統原理示意圖

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由等離子體的密度、溫度和引出系統的質量決定。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。

考夫曼離子源是應用較早的離子源，屬于柵格式離子源。首先由陰極在內腔產生等離子體，然后由2或3層柵格將離子從等離子腔體內抽取出來。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，結構如圖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。調整中和電流使發射電流是束流的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射電子，使束電流和束電荷得到中和的離子發射部件。中和器內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。發射電壓加在燈絲變壓器和設備地之間，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。

一般調整發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為其結構示意圖。

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置中和器，向離子束發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

理解設備總體結構控制原理和離子源結構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，能夠反復調整電源參數來解決。根據維修中的心得總結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 結束語

隨著離子源技術的研究發展，離子束加工技術在半導體設備中的應用越來越廣，熟悉離子源的原理，掌握離子源的維修維護技術，保證設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備維修應重點注意以下幾點：對設備的原理，結構熟練掌握；突破傳統的維修觀念，學習利用故障樹，貝葉斯網絡，專家系統等智能故障診斷技術[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.復雜系統的智能故障診斷技術現狀及其發展趨勢[J].計算機仿真，2004，21(10)：4-7.