离子束刻蚀设备中离子源故障诊断和维修

2013-08-09赵建恒

电子工业专用设备 2013年5期

赵建恒

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

离子束加工是利用能量极高的离子束，在真空腔体内冲击工件，使材料熔化、蒸发、汽化，从而达到加工的目的。由离子源让惰性气体离子化，由负极引出阳离子，经过加速，集束，最后射入工件表面。离子束加工主要有3个应用领域：离子溅射、电镀；离子刻蚀；离子注入。此外在光刻工艺中也有应用，如离子束曝光。

离子束加工是一种非接触精密加工技术，真空环境下，无污染，不氧化。它需要一套离子源和真空系统[1]。

离子束加工设备中的核心部件是离子源，本文以EVATEC的离子铣（离子束刻蚀）BAK641为例，介绍VECOO直流栅极离子源及其电源MPS5001的结构和原理特点，结合离子铣剖析离子源常见故障，总结故障原因和影响离子源正常工作的主要因素，给出解决方法，降低故障率，提高设备使用效率和加工质量。

1 BAK641离子刻蚀机

离子铣是利用离子束轰击固体表面的溅射作用，剥离加工各种几何图形的一种新工艺。刻蚀过程纯物理溅射。

1.1 离子铣的真空系统

设备的真空系统比较简单，但真空度也是离子源正常工作的因素之一。如图1所示。机械泵用来预抽真空室，冷泵再生时，机械泵对冷泵抽气。冷泵再生完成后，初级阀V3关闭，通过开启高阀由冷泵来对真空室抽真空。真空室压力由真空计P3检测。V1为放气阀。反应气体通过质量流量计和阀门分四路进入真空室。进行离子刻蚀时候，一般真空压力保持在1.0×10-2Pa。此外真空室外壁有加热系统进行加温。

图1 设备的真空系统示意图

1.2 离子铣的控制系统

离子铣的控制系统由一台计算机作为控制主机，通过HUB连接串口以太转换器、电源箱控制和水路控制模块，后三者对应独立的IP地址，一般以198，68，x，x为标示。如图2所示。串口以太转换器NPort751通过串行通讯RS232与冷泵控制器和MPS 5001离子源电源控制器连接。任何模块通讯失败会有对应报警。MPS5001通讯失败时，设备只能手动运行离子源，不能自动执行程序。

图2 控制系统原理示意图

2 VEECO离子源

离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。在各类离子源中，用得最多的是等离子体离子源，即用电场将离子从一团等离子体中引出来。这类离子源的主要参数由等离子体的密度、温度和引出系统的质量决定。属于这类离子源的有:潘宁放电型离子源射频离子源、微波离子源、双等离子体源、Kaufman离子源[2]、霍尔离子源等。

考夫曼离子源是应用较早的离子源，属于栅格式离子源。首先由阴极在内腔产生等离子体，然后由2或3层栅格将离子从等离子腔体内抽取出来。方向性强，能量集中带宽集中。

2.1 离子源

采用Veeco的6 cm×30 cm直流栅极离子源，结构如图3左半部分所示，包括阴极灯丝、阳极、帘栅极、加速极等[3]。当加电通气，气体从底部进入离子源放电腔体后，受到阴极灯丝发射的电子的轰击。由于周围都是阳极正电位，气体很容易被电离。电离开始后，启动电阻上的压降成为阳极和阴极之间的电位，即放电电压。此时放电腔体内除了阳极，都是阴极电位。放电电流不再流过启动电阻，而是由阳极流走。磁场增强了电子与气体的碰撞，离子向各个方向运动。在帘栅极与加速极的提取下，离子束流会冲向靶材，完成工艺。

图3 离子源及其电源连接示意

2.2 离子源电源MPS 5001

MPS 5001包括一个控制模块、PBN中和模块、加速极电源模块、阴极灯丝电源模块、放电电压模块和束流电源模块。专门用于Veeco离子源。如图3中虚线框内所示。它有Remote、Manual、Local等工作方式。放电模块的总功率不要大于220W，为了延长灯丝和栅极使用寿命，要反复调整电源的各个电压，电流的限定值，如灯丝电流、放电电压等。调整中和电流使发射电流是束流的100%或者125%，加速电流一般为束流的10%。

2.3 PBN 中和器（neutralizer）

中和器向离子源引出的离子束发射电子，使束电流和束电荷得到中和的离子发射部件。中和器内部放电由灯丝变压器和壳体（body）之间的电压维持，一般为20～25 V。发射电压加在灯丝变压器和设备地之间，给整个PBN对地提供了一个40～46 V的负偏压，使得中和电子能够大量进入离子束流中。

一般调整发射电流大于等于束流时候，中和效果最好。

中和器按工作方式可以分为外置式热阴极中和器、浸没式热阴极中和器和等离子体桥中和器3类。文中采用是等离子桥中和器（PBN）。图4为其结构示意图。

离子源栅极引出的是带正电的离子束。为了避免靶材或加工表面积累电荷，需要中和离子束电流；为了减少离子束中的空间电荷，以继续引出离子，需要中和离子束电荷。为此，需要在放电室和栅极外边设置中和器，向离子束发射与束电流等量的电子流。

图4 PBN中和模块示意图

3 常见故障及解决方法

理解设备总体结构控制原理和离子源结构工作原理有助于迅速分析判断故障，找出故障原因。在日常维护中要经常清洗腔体，检查真空度，气体流量等。一般故障通过检查模块保险丝，清洗离子源可以解决。但对于离子源的一些软故障，需要熟悉其工作原理，能够反复调整电源参数来解决。根据维修中的心得总结出离子束刻蚀机常见故障及解决方法如表1所示。