改造蒸發臺行星盤系統提升工藝可靠性

解 晗，申 強，葛榮祥

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京210016)

蒸發臺廣泛應用于半導體器件加工過程，原理是利用各種方式獲得熱量將目標材料加熱至蒸氣相，呈氣態的原子在高真空環境下經過一定距離的擴散附著在預先放置的基片上，形成薄膜沉積[1]。蒸發臺的基本結構包括高真空腔室、蒸發材料預置坩堝或預置舟、載片行星盤、均勻性擋板等。通過在高真空下加熱預置蒸發材料使其氣化蒸發，載有晶圓產品的行星盤位于蒸發源的上方實現薄膜鍍膜。為了提高鍍膜均勻性，行星盤與蒸發源之間配置了均勻性擋板，配合行星盤在工藝過程中的勻速旋轉，用于改善鍍膜均勻性，如圖1所示。蒸發臺設備主要用于半導體晶體管中源極、漏極、柵極以及各類金屬布線等工藝的金屬化鍍膜，由于蒸發鍍膜工藝具有無法返工且單批次生產晶圓數量多的特點，一旦工藝過程中發生設備無法監控的故障，所有晶圓都將報廢。

圖1 蒸發臺結構簡圖

1 故障診斷分析

目標機臺某蒸發臺在生產過程中曾出現某批次產品嚴重報廢情況。該批次產品在設備未報錯的情況下完成蒸發工藝，目檢晶圓產品上有清晰的不規則蒸發薄膜圖形，有些地方鍍有金屬，有些地方完全沒有蒸鍍金屬，經過方阻測試也驗證了目檢結果。經過對設備硬件的檢查，發現行星盤載片系統無法實現正常轉動，再次檢查傳動系統發現行星盤傳動渦輪軸發生斷裂。初步推斷傳動系統失效，載有晶圓產品的行星盤無法轉動，停止轉動的晶圓產品在蒸發工藝過程中，部分晶圓被均勻性擋板擋住無法鍍膜，部分晶圓被裸露出來獲得鍍膜，導致最終出現圖形印記明顯的薄膜圖形，形成的圖形印記與均勻性擋板形狀一致。

分析可知，設備在行星盤傳動軸斷裂無法轉動的情況下，監控參數中Rotary drive speed一欄一直穩定在正常值圍范內，表明軟件未能監控到行星盤轉速異常，即設備所獲得的轉速信號為假信號，晶圓產品在設備異常情況下完成了整個工藝過程，導致產品報廢。

為了查明出現上述轉速信號異常現象的原因，摸排分析設備電路圖和硬件，設備電腦在工藝程序開始后，將Recipe中預設的轉速大小信號傳輸至電機變頻器（Hitachi L200），由變頻器控制電機的轉動速度，進而通過渦輪蝸桿傳動機構帶動行星盤系統進行一定轉速的圓周運動。同時，變頻器將其控制電機轉速的信號直接轉換為電壓信號傳遞給PLC，作為行星盤轉速的模擬量輸入，即軟件監控欄中的Rotary drive speed數值，控制簡圖如圖2所示。

圖2 現有行星盤系統控制簡圖

這套系統固然可以對行星盤的轉速進行控制，然而返回電腦端用于監控的轉速信號是變頻器直接輸出的信號，并沒有對后道的電機、傳動系統及行星盤做實時監控。換言之，如果上述三處的任何一處出現異常或失效情況，電腦端獲得的轉速反饋信號卻仍然是正常的，將會導致系統風險。

2 改造方案

經過反復論證和驗證，提出了針對行星盤轉速系統的改造方案，擬通過設備改造將行星盤的實時轉速信號傳遞給電腦，避免設備出現故障誤判，提高生產可靠性。改造方案控制簡圖如圖3所示，切斷變頻器對電腦的轉速反饋信號，在整個系統中加裝霍爾傳感器、頻率運算器并對設備結構作部分優化，實現對轉速實時信號的采集和處理，將此信號接入電腦端口實現行星盤轉速的監控，提高設備的工藝性能的可靠性。

圖3 擬改造方案行星盤系統控制簡圖

2.1 傳感器選型

由于被監控對象行星盤處于高真空環境中，且蒸發工藝過程中真空腔內存在高溫、金屬薄膜污染等干擾，采集獲得轉速信號的傳感器選型尤為重要。各類直接接觸式傳感器在蒸發環境下工作存在一定風險且從大氣環境到真空環境的信號線接入也有一定難度，不予考慮。通過在真空外腔壁放置非接觸式傳感器，使其感應獲得轉速信號，霍爾傳感器可通過磁場作用獲得電壓信號，其工作機制為載流子在磁場環境下運動，受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，在兩側建立起霍爾電壓。金屬腔壁對其不存在信號干擾，且可進行非接觸測量[2]。故采用霍爾傳感器進行轉速信號采集。

在腔內行星盤上合適位置安裝小磁鐵，跟隨行星盤共同轉動，在相應的腔外壁上安裝霍爾傳感器，用于檢測小磁鐵轉動。在行星盤轉動過程中，小磁鐵每經過一次霍爾傳感器感應區域，會在傳感器端感應出霍爾電壓，經過放大整形在輸出端獲得電壓脈沖信號，相鄰兩次脈沖之間的時間即為行星盤轉動的周期。整個測量模塊的硬件結構示意圖如圖4所示。

圖4 行星盤轉速測量模塊結構示意圖

2.2 頻率運算器信號處理

針對采樣的電壓信號，計算出脈沖信號頻率，該頻率與行星盤轉速正相關，即可用于表征轉速大小。頻率運算器可以將頻率信號轉化為電壓或者電流信號，用于表征頻率大小。由于行星盤轉動頻率相對較低，適合運用測周期法實現頻率測量，測量機制如圖5所示[3]。

圖5 運用測周期法測量信號頻率

被測脈沖信號作為門控信號控制主門的開啟，在主門開啟周期內對固有晶振頻率進行信號采集，對晶振脈沖進行計數。若晶振周期為Tx，門控周期內計數為n，則被測脈沖信號的頻率f可以表示為：

頻率運算器將通過上式運算所得的數值轉化為電壓或電流模擬量信號接入電腦端相應端口，即可實現行星盤轉速的實時采集。IFM DW2503型頻率運算器終端連接定義如圖6所示。外部供電電壓1、2腳接入直流電源或7、8腳接入交流電源，被測脈沖信號來源若為PNP型傳感器接入4、5、6腳，若為npn型接入5、6、10腳，接收頻率信號若要求為電壓信號則輸出端接23、24腳，若要求輸出電流信號則接22、23腳。

圖6 DW2503型頻率運算器終端連接定義

2.3 改造方案驗證

在行星盤機構上安裝磁鐵做共同轉動，外腔壁安裝霍爾傳感器感應磁鐵轉動，采集轉速信號，所獲得脈沖信號經過頻率運算器輸出頻率模擬量信號，接入PLC端用于表征監控實時行星盤轉速，在設備電腦軟件上設定合理的安全轉速范圍，若超出該范圍則認為轉速異常，工藝過程緊急中斷等候處理，如圖7所示。

圖7 軟件設定安全轉速范圍

為了進一步測試改造方案實施效果，模擬行星盤轉速異常現象，在設備正常工藝過程中，突然人工地把行星盤停轉，設備立即收到轉速異常的信號，并在軟件中報錯，停止工藝。經過轉速系統異常場景模擬，軟件端獲得報錯反饋如圖8所示。

圖8 模擬異常場景測試軟件報錯反饋

3 總 結

經過對轉速系統的改造，設備電腦上可以實時監控行星盤的轉速。并在轉速出現異常時中斷工藝，等待工程師處理，避免了晶圓產品的成批報廢，降低因設備運行異常而導致的產品品質變異，提高該類設備工藝生產的可靠性。同時將此改造方案應用于類似蒸發設備上，測試效果良好。