故障樹分析法在RIE故障診斷中的應用

馬培圣

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

在半導體工業中，在襯底上生產的器件密度越來越高，集成電路及超大規模集成電路所占的比例也越來越大，其制作流程非常復雜，一般需要經過大約數百個不同的工藝步驟，刻蝕[1]是其中非常重要的一環，它是把進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的部分，用化學反應或物理作用的方式去除，以完成掩模圖案轉移到薄膜上的目的。而反應離子刻蝕（RIE）就是現代半導體刻蝕的一種主流設備。由于摩爾定律的相對有效性，這些半導體設備的復雜性也在增加，對設備可靠性的要求也越來越高。這就需要維修人員做好設備保障工作以提高設備利用率。

1 RIE工藝中的啟輝

RIE是以等離子體[2]為介質進行刻蝕的一種技術。它最主要的優點是所謂的高選擇性和各向異性刻蝕，是通過物理和化學兩種反應的方式來去除薄膜，它用粒子直接轟擊薄膜同時借粒子和薄膜間的化學反應來實現刻蝕，而等離子體就是這種粒子，它是“物質的第四態”，是以可流動的很多帶電離子、原子團、分子及電子組成的體系。在RIE設備中，反應室抽至高真空后，通入工藝要求且按一定配比的反應氣體，并保持一定的氣體流量和壓力，用13.56 MHz的射頻電源（RF）加在反應室上電極，這些原本是中性的氣體分子就被激發或解離出各種等離子體，即通過氣體放電產生等離子體，同時產生肉眼可見的輝光，這就是啟輝。

2 故障樹分析法[3]概述

故障樹分析FTA（Fault Tree Analysis）是目前國內外普遍公認的對復雜系統安全性和可靠性比較實用的分析方法，是一種自上而下逐級展開的演繹分析法[4]。它以系統故障的事件為頂事件，向下逐級找出導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發生概率等。

3 繪制故障樹分析啟輝故障

當刻蝕工藝過程輝光昏暗或完全沒有輝光時，會出現襯底薄膜刻蝕不盡、速率慢或刻蝕不動的現象，嚴重影響了晶片的產量和合格率。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

通過這個故障邏輯框圖，可以推理分析出造成啟輝困難的各個要因以及可能的組合方式，進而采取相對應的維修措施和改進辦法。啟輝故障主要有三個因素，造成氣體流量與工藝條件不符的原因有管路堵塞，特別是常態為液態或容易凝結的氣體，或 MFC（Mass Flow Control）故障；造成反應室壓力不符的原因，真空系統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）把當前反應室的真空值信號發送給APC控制器，控制器通過與設定值進行比較，發送指令調整節流閥的旋轉角度，從而調整真空泵組的抽氣量，CM再次將測量真空值反饋給APC，通過閉環控制，實現了反應室壓力穩定。如圖2所示。檢修時可以通過自學習操作校準控制器的閥控，維修節流閥的機械卡死和電動機的伺服驅動加以解決。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，AMU的作用就是在射頻源和反應室之間匹配出一個阻抗網絡，使得反射回射頻源的功率最小。它的調節方法是通過反饋控制，用兩個電動機分別驅動兩個可變電容，load電容和tune電容。當故障出現的現象是觀察到AMU控制器上C1或C2讀數一直上升，找不到匹配點，表明電容的齒輪錯位，在manual狀態，將C1、C2旋鈕轉到Max位置，脫開連接驅動電動機的齒輪，旋轉連接電容的從動齒輪，當感覺到軸上的紅色套筒變緊時，找到松緊臨界點，然后反向再調一圈，此時的電容值為最大，然后在AMU控制板上找到TOP10和TOP110兩點，測其對地電阻，分別調節RV1和RV2，使這兩點的電阻值最小。此時AMU的匹配已調試完畢。

圖2 反應室壓力控制系統

圖3 射頻回路

3 結 語

故障樹分析法具有直觀、簡單、無需計算的特點，能一目了然的表達各事件間的因果關系和可能引起的后果，用于各類設備的故障診斷和定位是比較科學的，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，對減少設備的故障發生率都有非常積極的意義。

[1] 李興.超大規模集成電路技術基礎[M].北京：電子工業出版社，1999：166-180.

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

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

[4] 陳毅功.半導體設備維修工程實務[J].電子工業專用設備，2000，29（2）：20-27.