程壹濤，劉成群，吳 海

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊050051）

離子束刻蝕技術(shù)[1-3]作為一種超精細加工工藝，是隨著半導(dǎo)體器件向亞微米級、納米級線寬方向不斷發(fā)展而興起的一門關(guān)鍵技術(shù)，在目前的半導(dǎo)體制造、微納電子IC制造中占據(jù)重要地位。該技術(shù)屬于干法刻蝕中的純物理性刻蝕，首先利用輝光放電的方式使惰性氣體電離產(chǎn)生一定濃度的等離子體，然后利用離子光學(xué)系統(tǒng)將其中的正離子引出并加速，形成高能離子束轟擊到待刻蝕材料表面使其發(fā)生濺射，進而實現(xiàn)刻蝕目的。在實際的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中，離子束刻蝕技術(shù)被廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路、微波射頻器件、MEMS器件、光電類器件的精細溝槽圖形刻蝕，也被用于各種材料的表面減薄、拋光和高精度清洗工藝。

該技術(shù)的實現(xiàn)離不開離子束刻蝕設(shè)備的支持，目前國內(nèi)離子束刻蝕設(shè)備的市場份額大多由國外廠商占據(jù)，很難得到便捷的售后服務(wù)，導(dǎo)致設(shè)備維修周期長，成本高，時效性低。有鑒于此，對該類設(shè)備的常見故障進行分析總結(jié)十分必要。

該類設(shè)備的常見故障主要集中在離子源系統(tǒng)、中和器系統(tǒng)、晶圓傳輸系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水電系統(tǒng)等幾大方面。在已有的相關(guān)文獻中，文獻[8]針對離子源系統(tǒng)中的離子源電源故障做了詳細的分析，并給出了對應(yīng)的解決方案。文獻[9]針對半導(dǎo)體設(shè)備中的真空系統(tǒng)，對常見故障和解決措施做了總結(jié)和分析，對此類設(shè)備有較大的參考意義。這些文獻都是從設(shè)備的局部出發(fā)，對常見故障進行了總結(jié)分析。本文從離子束刻蝕設(shè)備整體出發(fā)，首先介紹了其基本原理和組成結(jié)構(gòu)，并根據(jù)以往維修經(jīng)驗，對設(shè)備各個模塊的常見多發(fā)故障進行了深入剖析，總結(jié)出了一套行之有效的解決方案。

1 離子束刻蝕技術(shù)的基本原理

離子束刻蝕技術(shù)主要分為三個核心步驟，即：離子源中等離子體的產(chǎn)生、離子的引出與加速以及高能離子束的轟擊。

1.1 等離子體的產(chǎn)生過程

等離子體的產(chǎn)生發(fā)生在離子源的放電室內(nèi)。在腔室達到指定真空狀態(tài)后，首先通入一定流量的惰性氣體如氬氣，同時通過一個氣體擴散器使反應(yīng)氣體在放電室內(nèi)的分布更為均勻。然后，對放電室中的惰性氣體進行電離，在其中產(chǎn)生一定濃度的等離子體。而不同類型的離子源采用的電離方式也各不相同，如加熱陰極燈絲發(fā)射電子的方式，電子會在外部磁場的作用下不斷與惰性氣體進行碰撞使氣體電離；還有射頻感應(yīng)耦合方式，通過外加13.56 MHz的射頻功率使氣體電離。

1.2 離子的引出與加速過程

離子引出系統(tǒng)[4]，又稱為離子光學(xué)系統(tǒng)，是等離子體中離子引出與加速過程中的關(guān)鍵部件，對離子束刻蝕的效果起著決定性作用。雙柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)是該系統(tǒng)早期通用的結(jié)構(gòu)，主要包括帶正壓的屏柵和帶負壓的加速柵。根據(jù)等離子鞘層相關(guān)理論，當(dāng)屏柵極插入等離子體時，等離子體中的電子和離子會作重新分布，在兩者接觸處產(chǎn)生很薄的一層等離子鞘層[5]，又稱之為屏蔽層。

刻蝕工藝過程中，工藝腔室一直處于真空抽取狀態(tài)，因此會與放電室之間產(chǎn)生一定的氣壓差，在此壓差作用以及分子無序熱運動作用下，等離子體中的Ar＋離子和電子會不斷到達等離子鞘層。同時，由于電子質(zhì)量遠小于Ar＋離子，導(dǎo)致其速度較快，先于Ar＋離子到達屏柵極，其中一部分電子通過屏柵極泄放，其余電子積聚在屏柵極表面，使屏柵極相對于等離子體帶負電，此電位的具體計算公式為：

式中，U是空間電位，k是玻爾茲曼常數(shù)，Te是電子溫度，m為鞘層中的帶電粒子質(zhì)量，Mi為等離子體質(zhì)量，因為m＜＜Mi，所以屏極和器壁相對于等離子體的電位為負，U＜0。

由于此電位的存在，等離子鞘層中實際形成了一個微弱電場，正向吸引Ar＋離子，使其通過屏柵極的小孔不斷進入到離子光學(xué)系統(tǒng)中，這就是離子的引出過程。

離子的加速過程則較為簡單，帶正電壓的屏柵極與帶負電壓的加速柵極之前會形成一個強電場，對進入其中的正離子進行加速，最終形成準直度非常高、能量在幾百到幾千電子伏特的高能離子束。

1.3 高能離子束的中和與轟擊過程

高能離子束的中和過程是轟擊之前的必要步驟，這一步驟的主要作用有：使高能離子束成為電中性，進而避免靶材或加工材料表面累計正電荷，消除材料表面對后續(xù)離子束的排斥作用，提升刻蝕速率；同時消除高能離子束中正離子間的相互排斥，減小擴散角和能量損失，保證離子束的準直度。

此中和過程的實現(xiàn)需要發(fā)射電子流的中和器。同時，為了保證離子束的充分中和，需對中和器施加負偏壓，并嚴格控制所發(fā)射電子流的速率和大小，其大小通常為離子束流的1.2～1.5倍。

最后，呈電中性的高能離子束轟擊到固定在工作臺上的待刻蝕材料表面，引發(fā)濺射現(xiàn)象，均勻移除或者部分移除材料表面原子，達到刻蝕目的。整體的離子束刻蝕技術(shù)原理圖如圖1所示。

圖1 離子束刻蝕技術(shù)原理圖

2 離子束刻蝕機設(shè)備結(jié)構(gòu)

離子束刻蝕機的設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括晶圓傳輸系統(tǒng)、刻蝕工藝模塊以及外圍條件保障系統(tǒng)三大系統(tǒng)模塊。其中，晶圓傳輸系統(tǒng)的主要功能是向反應(yīng)腔室傳送未刻蝕晶圓并回收已刻蝕晶圓；刻蝕工藝模塊是離子束刻蝕工藝的主要發(fā)生場所，也是整個設(shè)備的核心模塊；外圍條件保障系統(tǒng)為刻蝕工藝的正常運行提供條件保障，主要包括了電氣控制、真空、水路冷卻以及氣路等子系統(tǒng)。下面將以某型號離子束刻蝕機為例，詳細介紹設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 離子束刻蝕機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 晶圓傳輸系統(tǒng)

該離子束刻蝕機的晶圓傳輸系統(tǒng)是一套高度自動化的盤片裝載、傳輸、卸載裝置，主要包含3個部分：（1）裝載模塊（Cassette Module），用于放置片盒，是晶圓進出刻蝕機的窗口，左右各一個；（2）傳輸模塊（Transport Module），采用美國布魯克斯公司的蛙式單盤機械手，用于在裝載模塊與反應(yīng)腔室之間傳送盤片，兩個模塊之間用門閥（Slot Valve）進行連接；（3）晶圓預(yù)對準系統(tǒng)[6]，其主要功能是對每次進入或傳回的晶圓進行平邊檢測和精確定位，確保晶圓本身完好，位置準確。整個傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行過程如圖3所示。

圖3 晶圓傳輸系統(tǒng)

2.2 離子束刻蝕工藝模塊

離子束刻蝕工藝模塊是整個刻蝕機的核心模塊，主要包括了離子源、柵網(wǎng)（即離子引出系統(tǒng)）、中和器、快門、晶圓工作臺等關(guān)鍵部件。這些部件通常被集成在一個圓筒形的真空腔室中，并采用臥式結(jié)構(gòu)，使離子束在水平方向上對材料進行刻蝕?？涛g過程中的濺射物大部分會落在腔室底部，減少了濺射材料的再沉積現(xiàn)象，提升了刻蝕質(zhì)量。

工藝系統(tǒng)中的離子源是使中性原子或分子電離產(chǎn)生等離子體，并從中引出高能離子束流的裝置。本文中該型號刻蝕機采用的是射頻（RF）離子源，其特點是采用無極放電的方式來產(chǎn)生等離子體，無需陰極燈絲，因此增加了使用壽命，并降低了離子束中的雜質(zhì)。其主要結(jié)構(gòu)由石英放電室、射頻功率線圈、氣體擴散器所構(gòu)成。

離子引出系統(tǒng)是與離子源緊密連接的部件，也稱為柵網(wǎng)，是負責(zé)將離子束引出并加速的部件。該刻蝕機的柵網(wǎng)由3個多孔鉬材料柵極組裝而成，包括屏柵極、加速柵極和減速柵極，這種三柵結(jié)構(gòu)能有效克服空間電荷的限制作用，抽取出較大的束流，同時也能降低離子束對加速柵的刻蝕作用，避免電子回流，提升柵網(wǎng)壽命。

中和器[7]（Neutralizer）是一種向離子源引出的離子束發(fā)射電子，使離子束流中的正離子得到中和的電子發(fā)射部件，其主要作用在1.3節(jié)已介紹。此外，其與射頻離子源搭配使用時，還具有點火起弧的功能。該刻蝕機使用了一種等離子橋中和器，采用了空心陰極的結(jié)構(gòu)，利用輝光放電方式產(chǎn)生大量電子，無需熱陰極燈絲，工作壽命可達1 000 h以上。其工作原理以及結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 等離子橋中和器

快門是晶圓工作臺和離子源之間的一道隔離裝置，主要作用在于：對束流密度和中和狀態(tài)還不穩(wěn)定的離子束進行阻擋，優(yōu)化刻蝕質(zhì)量，并實現(xiàn)刻蝕時間的精準控制。

晶圓工作臺是負責(zé)固定晶圓的裝置，也是進行離子束刻蝕的最終場所。其結(jié)構(gòu)通常是一個圓柱形裝置，主要由晶圓模塊（Wafer Module）、傾斜驅(qū)動機構(gòu)（Tilt Drive）和裝置基座（Tooling）三部分構(gòu)成，其中，晶圓模塊主要包括一個氦氣流動冷卻裝置（FlowCool arrangement）、一個水冷夾具和一個旋轉(zhuǎn)裝置；傾斜驅(qū)動機構(gòu)主要負責(zé)使整個裝置傾斜到最佳角度，進而控制工藝過程中的離子束入射角度；裝置基座中集成了旋轉(zhuǎn)電機、機械齒輪、氣缸、主軸、密封磁流體等相關(guān)配套部件。

2.3 外圍條件保障系統(tǒng)

外圍條件保障系統(tǒng)主要由電氣控制、真空、水路冷卻以及氣路等子系統(tǒng)構(gòu)成，是離子束刻蝕工藝正常運行的關(guān)鍵保障。其中，電氣控制系統(tǒng)包括了工控機、控制柜和配電柜，為整個設(shè)備系統(tǒng)提供電源供給的同時，也實時控制和監(jiān)控系統(tǒng)中各個子模塊的運行狀態(tài)，如射頻電源、中和器以及離子源的啟?？刂坪蛥?shù)調(diào)整，各類真空泵和真空閥的開關(guān)操作等。

設(shè)備的真空系統(tǒng)可以分為兩個部分，一是工藝腔室的真空系統(tǒng)，由一臺Maglev 2800的分子泵和安捷倫的機械泵組合而成，可以實現(xiàn)腔體內(nèi)9.33×10-5Pa的極限真空度；另一部分是傳輸系統(tǒng)腔室的真空系統(tǒng)，由一臺小分子泵和安捷倫的機械泵組合而成，可實現(xiàn)腔室1.33×10-5Pa的極限真空度。

設(shè)備氣路系統(tǒng)主要分為4個部分，（1）用于晶圓工作臺中圓片冷卻的氦冷氣路，（2）用于釋放設(shè)備腔體（包括工藝腔室和傳輸腔室）真空的氮氣回路，另外兩路分別是為等離子橋中和器和射頻離子源輸送工作氣體的氬氣回路。

設(shè)備的水路冷卻系統(tǒng)主要利用外部冷水機提供的特定溫度循環(huán)水來實現(xiàn)設(shè)備各個模塊的水冷降溫，這些模塊主要包括分子泵、離子源射頻線圈、等離子橋中和器、射頻電源和晶圓工作臺的水冷夾具。

3 常見故障分析以及解決措施

離子束刻蝕設(shè)備的常見故障按照前面章節(jié)介紹的設(shè)備組成結(jié)構(gòu)可以分為幾大類：晶圓傳輸系統(tǒng)故障、離子束刻蝕工藝模塊故障、外圍條件保障系統(tǒng)故障。

3.1 晶圓傳輸系統(tǒng)故障

（1）晶圓裝載模塊故障。此模塊故障大多是腔室真空不達標(biāo)。其故障原因可能是開關(guān)門或者門閥上的密封圈損壞、Vent閥門內(nèi)漏，維修時逐項排查，確認故障點后進行更換即可。

（2）傳輸機械手故障。機械手相關(guān)故障主要包括傳輸過程掉片、碎片等。故障原因可能是機械手載片處的小O型圈損壞，導(dǎo)致機械手與晶圓之間的摩擦力減小，更換即可；也有可能是機械手本身的初始高度異常，導(dǎo)致在經(jīng)過門閥時碰到晶圓，這就需要使用機械手專用調(diào)試工具調(diào)整機械手的初始高度。

3.2 離子束刻蝕工藝模塊故障

（1）離子引出系統(tǒng)短路故障。該故障在整個離子源系統(tǒng)相關(guān)故障中，故障占比最高，其主要故障現(xiàn)象為：屏柵電壓或者加速柵電壓波動劇烈，離子束流無法引出。主要原因是：長時間的金屬刻蝕工藝會產(chǎn)生一些金屬碎屑，其進入離子引出系統(tǒng)后會造成層間短路，同時其也會附著在導(dǎo)線的絕緣陶瓷端子上，使絕緣性能下降，造成短路。

解決方法為：拆卸離子引出系統(tǒng)，然后用氣槍或者吸塵器對其進行表面吹掃和清潔，并用絕緣電阻測試儀進行相關(guān)絕緣測試，測試合格后重新安裝。

（2）等離子體電離異常故障。此故障是指放電室內(nèi)無法正常起輝，或者產(chǎn)生的等離子體濃度過低。主要原因有3個方面，一是放電室反應(yīng)氣體的進氣量過低；二是放電室內(nèi)真空度過低；三是負責(zé)電離的射頻功率異?；蛘呤菬彡帢O燈絲故障。發(fā)生此故障時，可以從這三方面入手，依次進行排查。

（3）中和器內(nèi)部燈絲故障。故障現(xiàn)象為：中和器燈絲電流始終為0。故障原因為：燈絲壽命耗盡，出現(xiàn)斷裂。解決方法為：拆解中和器，更換燈絲。

（4）中和器短路故障。此故障主要包括中和器燈絲與設(shè)備地、燈絲與殼體以及殼體與設(shè)備地之間發(fā)生的3類短路故障。其對應(yīng)的故障現(xiàn)象分別是；中和器的燈絲電源電流、Discharge電源電流、Body電源電流遠超正常值，達到輸出上限。主要故障原因為：中和器安裝不當(dāng)、使用過程中中和器發(fā)生位置偏移以及中和器相關(guān)線路的絕緣性能下降。解決措施為：排查中和器安裝狀態(tài)，以及燈絲、殼體與設(shè)備地之間的接觸情況，對相關(guān)線路的絕緣性能進行測試，確認故障點。

（5）起弧異常。主要故障現(xiàn)象為：中和器發(fā)射電流無法穩(wěn)定在設(shè)定值，隨著工藝時間增加不斷下降。故障原因基本可以確定為中和器進氣量過低或內(nèi)部真空不達標(biāo)，導(dǎo)致中和器內(nèi)部起弧困難，等離子體濃度不夠，無法發(fā)射足量電子流。解決措施為檢查中和器的密封狀況，緊固相關(guān)螺絲，或者增大反應(yīng)氣體進氣量。

（6）載片平臺旋轉(zhuǎn)機構(gòu)故障。該故障主要包括自旋轉(zhuǎn)過程中的抖振現(xiàn)象、Home位置異常、旋轉(zhuǎn)角度異常等故障。故障原因可能是電機本身、控制器、編碼器接線接觸不良故障，以及位置傳感器損壞故障，也可能是機械傳動部分和磁流體部分的松動故障，需要逐項排查，確定故障點。

（7）晶圓夾具故障。該故障現(xiàn)象主要是夾具在上升或下降過程中的速度和力度異常，導(dǎo)致晶圓碎裂問題。主要故障原因為控制夾具運動的氣缸部分損壞或者氣缸參數(shù)異常。解決措施為更換氣缸或者重新調(diào)校氣缸參數(shù)。

3.3 外圍條件系統(tǒng)故障

（1）電氣控制系統(tǒng)故障。電氣控制系統(tǒng)故障主要包括繼電器、電磁閥等電氣控制元件故障以及各類電源故障，如直流穩(wěn)壓電源、射頻電源和離子源電源。電源的故障原因多是由內(nèi)部元件老化或損壞導(dǎo)致，如電容、電阻、保險絲損壞等。通過對電源內(nèi)部進行詳細的檢修和測試，定位故障點后進行更換即可。

（2）真空系統(tǒng)故障。工藝系統(tǒng)真空度的好壞，是影響設(shè)備刻蝕效果的重要因素。其主要故障類型主要分為三種，一是設(shè)備腔體發(fā)生真空泄露，原因為閥門故障或密封圈失效，處理措施是定期對各腔體連接處的密封圈進行維護保養(yǎng)或者更換；二是設(shè)備機械泵、分子泵或冷泵故障，一般需要送專業(yè)機構(gòu)進行維修保養(yǎng)；三是各類真空計故障，故障現(xiàn)象為真空計測量值異常，故障原因是真空計內(nèi)部被污染或者內(nèi)部檢測電路故障，處理方法為清理真空計內(nèi)部檢測探針或者直接更換。

（3）Chiller水路冷卻系統(tǒng)故障。Chiller水路冷卻系統(tǒng)也是刻蝕工藝中的重要一環(huán)，其主要故障為雜質(zhì)、贓物沉積導(dǎo)致的水路堵塞問題，解決措施是用去污藥劑對整個水路進行沖洗，并用高壓氮氣槍對水路進行吹掃，將雜質(zhì)，贓物排出。

4 結(jié)束語

離子束刻蝕工藝在現(xiàn)在半導(dǎo)體生產(chǎn)中占據(jù)的地位愈加關(guān)鍵，同時也對設(shè)備的穩(wěn)定性、工藝重復(fù)性提出了更高的要求。因此，熟練掌握離子束刻蝕技術(shù)的原理，熟悉影響刻蝕工藝指標(biāo)的各方面因素以及相關(guān)設(shè)備的組成機構(gòu)、維護保養(yǎng)措施和常見故障處理措施，能夠降低設(shè)備故障率，可極大地縮短設(shè)備修復(fù)時間，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。