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

半導體生產摻雜把雜質引入硅中，改變它的電學性能，這能夠通過離子注入或擴散實現。離子注入有眾多優點，已大規模取代了擴散。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：離子源、吸極、離子分析器、加速管、掃描系統和工藝腔。其工作過程大致是：離子源產生注入的離子，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。加速器將雜質加速，通過掃描系統把他射向硅片。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。由于許多國內的半導體廠家及科研院所從成本方面考慮，大多數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，注入機設備的穩定工作需要維護人員不定期進行維修和保養。

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、系統沾污。現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

正是由于國內的離子注入機大多是引進國外生產線下線的二手設備，所以其部件老化的問題是經常遇到的設備故障。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，這需要清理泵的內部及更換內部的易損件，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、燈絲電流調節等信號紊亂。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，現舉兩個實例：1)VarianE1000大束流離子注入機的靶室傳片系統中有一傳片小車，在傳片過程中突然失控，以很快的速度來回無規則運動，經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常來回運動的部件，運動產生的震動使編碼電機的編碼盤松動，已經劃壞，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。但發現繼電器K1的插座有短路現象，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，它的質量對于注入機實現大面積均勻注入，保證離子注入機大批量生產的重復性和機器運行的穩定可靠，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，再進行穩壓或穩流過程的分析。實例1：在使用Varian的中束流機DF4時發現燈絲電源失控，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，通過調節控制信號觀察脈寬發生器的波形的改變，發現控制板的波形正常。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，判斷是新換的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，使用中發現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

注入機設備系統的真空好壞，是進行整機調試的基礎也是影響均勻性指標的重要因素。系統的真空度一般要優于1X10-5托（毫米水銀柱），注入靶室的真空度要求優于1X10-6托。特別是一些在生產線上使用了多年的注入機，真空問題尤為突出。在維修和保養過程中，潔凈的無塵紙和酒精及真空檢漏儀是需經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，發現機械掃描的靶室其滑動密封的內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）真空系統是否漏氣

3）源材料是否滿足純度要求。

b.質量分析之前離子束沾污 吸極和分析器之間的區域不是玷污的重要來源，但要檢查真空是否漏氣

c.質量分析中造成的沾污 質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） 檢查真空系統是否漏氣

2） 檢查能量過濾系統

3） 檢查系統成分的金屬沾污。

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，至于更細節的問題這里不再論述。