浅谈离子注入机的维护

何科峰

中国电子科技集团公司第四十八研究所

前言

半导体生产掺杂把杂质引入硅中，改变它的电学性能，这能够通过离子注入或扩散实现。离子注入有众多优点，已大规模取代了扩散。离子注入是个物理过程，需要使用注入设备，所以离子注入机是半导体工艺中最常见的掺杂工具，它也是半导体工艺中最复杂的设备之一。注入设备主要有6个子系统：离子源、吸极、离子分析器、加速管、扫描系统和工艺腔。其工作过程大致是：离子源产生注入的离子，吸极把离子从源中提取出来，分析磁铁把所需离子与其他离子分离出来。加速器将杂质加速，通过扫描系统把他射向硅片。离子注入机设备涉及物理、电气、机械、自动控制等多门类多学科的知识。

1 各类离子注入机故障检查及排除

离子注入机设备的平均无故障工作时间（MTPF）大致就是50小时。由于许多国内的半导体厂家及科研院所从成本方面考虑，大多数离子注入机都是从国外引进的二手设备。所以设备的故障率更高，注入机设备的稳定工作需要维护人员不定期进行维修和保养。

离子注入机设备的故障大致分为：部件老化、电源故障、真空问题、系统沾污。现在就这几个类型的故障做简单的分析，并结合在维修中遇到的实例加以说明。

1.1 部件老化

正是由于国内的离子注入机大多是引进国外生产线下线的二手设备，所以其部件老化的问题是经常遇到的设备故障。从真空部件如泵、阀门、管道等到一些控制单元甚至是一些元器件，都是有可能引发故障的因素。例如机械泵老化抽气能力下降，这需要清理泵的内部及更换内部的易损件，或者直接更换泵；高低电位控制用的光纤使用时间过久，光纤头被污物遮住无法处理，导致选择源气、灯丝电流调节等信号紊乱。单个的元器件老化导致设备不能正常工作的故障也有很多，现举两个实例：1)VarianE1000大束流离子注入机的靶室传片系统中有一传片小车，在传片过程中突然失控，以很快的速度来回无规则运动，经过初步判断是控制小车运动的编码电机有故障。由于小车是在传片过程中需要经常来回运动的部件，运动产生的震动使编码电机的编码盘松动，已经划坏，所以致使控制小车的信号紊乱，更换编码电机后恢复正常工作。2)Varian的中束流离子注入机CF5正常引束操作，先进行扫描调整时能看到束流和波形，当切换到注入档时，剂量处理器（Dose processor）不能接收到束流也无扫描波形。分析故障可能是X扫描无DCoffset信号或者Y扫描无BeamGate信号。根据图1判断故障来自剂量处理器的BeamGate信号没有输出给Wayflow control。检查Dose processor输出BeamGate信号的三极管c1214已烧坏，更换一个新的c1214还是烧坏，再检查c1214的输出负载是到Wayflow control上的一个继电器，检查继电器正常。但发现继电器K1的插座有短路现象，更换一新的插座后不再烧c1214，再引束，剂量处理器正常工作。一个部件甚至一个元器件损坏或失效都可能导致设备的不正常工作，所以维修时需要仔细地分析判断问题。

图1

1.2 电源故障

电器设备是注入机的重要组成部分，它的质量对于注入机实现大面积均匀注入，保证离子注入机大批量生产的重复性和机器运行的稳定可靠，均具有重要意义。其中电源又是电器设备的主要组成部分，注入机的主要电源有高压电源、吸极电源、灯丝电源、磁分析器电源、扫描电源等。进行电源的检修时需要注意电源的负载是否正常，先分析直流电路，在搞懂各单元电路的工作原理，再进行稳压或稳流过程的分析。实例1：在使用Varian的中束流机DF4时发现灯丝电源失控，即电源一打开电流就加到最大值，导致灯丝电源的两个功率推动管MJ10007烧毁。先将离子源进行清洁和更换灯丝，排除了负载的原因，再换上新的MJ10007重点检查电源。该电源是典型的脉宽调整式开关电源，框图如图2。

图2

首先断开主回路，用示波器测量A1,A2两部分对应各点的波形，通过调节控制信号观察脉宽发生器的波形的改变，发现控制板的波形正常。测得电流反馈点在加负载到100A时的波形并没有打开，只有一段很窄的高电平，判断是新换的MJ10007仍旧不行。选用新购的MJ10007实验，恢复正常。实例2：Varian的大束流机160-10，使用中发现注入后晶片的方块电阻Rs偏大，即注入剂量不足。在排除不是不当退火的原因后，分析判断是有二次电子（secondary electrons）所产生的假束流导致剂量偏差，那么极有可能是抑制二次电子的抑制电源BIAS(1KV)没有正常工作，维修抑制电源后1KV加在BIAS上能有效的抑制注入时产生的二次电子，设备恢复正常。

1.3 真空问题

注入机设备系统的真空好坏，是进行整机调试的基础也是影响均匀性指标的重要因素。系统的真空度一般要优于1X10-5托（毫米水银柱），注入靶室的真空度要求优于1X10-6托。特别是一些在生产线上使用了多年的注入机，真空问题尤为突出。在维修和保养过程中，洁净的无尘纸和酒精及真空检漏仪是需经常用到的工具和设备，一些老化的密封圈特别在真空锁用到的空气密封部件，要定期进行更换才能保证使用可靠。实例：EATON的大束流注入机NV10-160的靶室真空低于4X10-5托，利用真空检漏仪检查，发现机械扫描的靶室其滑动密封的内层密封圈由于有碎片和污物滑伤密封圈，导致真空漏气。打开清理和换密封圈后恢复正常。

1.4 系统沾污，纠正措施

离子束中的沾污问题是在使用设备中常遇到的问题。有以下几种可能的原因：

a.离子源沾污 可能造成离子源玷污的因素：

1）离子源是否被沾污

2）真空系统是否漏气

3）源材料是否满足纯度要求。

b.质量分析之前离子束沾污 吸极和分析器之间的区域不是玷污的重要来源，但要检查真空是否漏气

c.质量分析中造成的沾污 质量分析器的窄缝过窄，不能把其他种类的离子全部排除。例如使用磷化氢作为源进行磷注入可能会造成氢沾污

d.质量分离后的离子束沾污 残余气体与离子束反应，造成能量不正确的离子（能量沾污）。正确措施包括：

1） 检查真空系统是否漏气

2） 检查能量过滤系统

3） 检查系统成分的金属沾污。

e.终端台沾污 可能的沾污源有：

1） 终端台材料（如离子束撞击电极的溅射金属和掺杂）

2） 来自光刻胶的碱性元素沾污

3） 法拉第杯装置的铝

4） 使用相同注入机的其他杂质元素的交互沾污。

2 结束语

离子注入机作为半导体工艺中最复杂的设备之一，它的维修也是一项结合多门类学科知识的复杂工作，甚至需要结合维修者的经验。结合实际问题具体地去分析和判断，这里只能粗略的结合几个例子来探讨，至于更细节的问题这里不再论述。