IBE 離子束系統(tǒng)原理及故障解析

徐 俊，申 強(qiáng)，孫運(yùn)璽

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所， 江蘇 南京 210016)

離子束刻蝕(IBE)是隨著半導(dǎo)體器件向精細(xì)幾何圖形發(fā)展的同時(shí)而發(fā)展起來的[1]。其加工過程是利用離子源讓惰性氣體離子化，由負(fù)極引出陽(yáng)離子，經(jīng)過加速形成能量極高的離子束，在真空腔體內(nèi)沖擊工件表面，使材料熔化、蒸發(fā)、汽化，從而達(dá)到材料去除的目的[2]。這種純物理性質(zhì)的刻蝕機(jī)理具有定向性和普適性，可對(duì)多種材料進(jìn)行各項(xiàng)異性刻蝕，在半導(dǎo)體制造工藝中，離子銑廣泛應(yīng)用于金、鉑和銅等難刻蝕材料的去除[3]。

本文介紹的離子束刻蝕設(shè)備是一種非常先進(jìn)的大尺寸離子源刻蝕設(shè)備，可用于100～200 mm（4～8 英寸）晶圓的單片刻蝕加工，其核心部件是一套離子束系統(tǒng)，包含離子源和等離子體橋中和器(PBN)，本文以該設(shè)備為例，研究了大尺寸離子源的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)，分析了PBN 的結(jié)構(gòu)組成和作用，從原理上為工藝的調(diào)整和設(shè)備維修提供理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)目前尚未推出類似的成熟國(guó)產(chǎn)化設(shè)備。

1 離子源的原理和分類

離子源是在真空腔室中通入一定量的氣體，通過一定手段，使氣體擊穿放電發(fā)生等離子化，產(chǎn)生一團(tuán)等離子體(由電子、離子和中性粒子組成，呈電中性)，再通過電壓，利用吸出極，將等離子體中的離子引出并加速形成離子束的裝置[3]。

在半導(dǎo)體設(shè)備中，常見的離子源種類很多，主要有：（1）考夫曼離子源，其原理是陰極燈絲發(fā)出的熱電子在陽(yáng)極電場(chǎng)和外加磁場(chǎng)的作用下，使氣體電離，在放電室中形成等離子體；（2）冷陰極潘寧型離子源，外部施加電磁場(chǎng)，利用空間中殘存的電子、離子，在電磁場(chǎng)的作用下，延長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)軌跡，增加與中性氣體分子的碰撞幾率，形成等離子體；（3）射頻離子源，利用高頻電壓延長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)軌跡，產(chǎn)生射頻放電形成等離子體，射頻電源通常采用電容耦合或電感耦合方式；（4）微波離子源，利用頻率為2.45 GHz 微波作為激發(fā)能量，產(chǎn)生等離子體；（5）其他類型的離子源。

2 IBE 的離子源結(jié)構(gòu)和原理

2.1 離子源的結(jié)構(gòu)

IBE 的離子源采用的是射頻離子源中的一種，射頻電感耦合離子源。該離子源主要由氣體導(dǎo)入裝置、電感耦合線圈、石英放電室和柵網(wǎng)組成。氣體導(dǎo)入裝置負(fù)責(zé)將用于電離的Ar 氣體導(dǎo)入真空石英放電室，放電室外圍圍繞著多圈電感耦合線圈用于激發(fā)產(chǎn)生等離子體，柵網(wǎng)用于引出和控制離子束流。其原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 離子源示意圖

為獲得較高的離子均勻性，柵網(wǎng)表面為一定規(guī)律排列的多孔結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。整個(gè)柵網(wǎng)共分3 層。由內(nèi)向外分別為加正電壓的吸出極（Beam grid）、加負(fù)電壓的抑制極（Suppressor grid）和接地極（Ground grid）。

圖2 柵網(wǎng)孔分布

2.2 離子源的工作原理

在導(dǎo)入真空放電室中持續(xù)通入少量Ar 氣，在射頻源的激勵(lì)下，氣體分子獲得較高的能量，當(dāng)其中一部分氣體分子與具有一定動(dòng)能的電子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，就會(huì)吸收電子的能量，從而發(fā)生電離，產(chǎn)生輝光放電，放電室中形成了由自由電子、中性粒子和離子組成的等離子體。等離子體中的電子、離子和中性粒子是運(yùn)動(dòng)的，因電子的運(yùn)動(dòng)速度快、質(zhì)量小，電子向等離子邊界迅速擴(kuò)散，并在邊界逐漸積累形成一層由電子組成的負(fù)電荷層，而正離子會(huì)在負(fù)電荷內(nèi)側(cè)形成一層正電荷層，這種雙電荷層即被稱為“鞘層”[4]，如圖3 所示。

圖3 離子束的形成

當(dāng)電子鞘層的邊緣接近加有正電壓的吸出極時(shí)，一定量的電子會(huì)被吸出極吸收，從而打破電子鞘層的平衡，吸收的電子形成電流IB。而一定量的離子會(huì)被正電壓的吸出極和負(fù)電壓的抑制極兩者之間的加速電場(chǎng)吸出，穿過抑制極柵孔后，抑制極對(duì)其作用由牽引變?yōu)橄蚝蟮睦x子繼續(xù)穿過接地極柵孔，形成較細(xì)的離子束流。

動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，等離子體內(nèi)部一直處于電中性，吸出極吸收的電子數(shù)量等于被發(fā)射出來的離子數(shù)量，因此吸出極的電流IB 可以用來評(píng)價(jià)引出的束流大小。而離子束的能量則和吸出極上加載的正電壓大小有關(guān)，電壓越大，離子束能量越大。

3 束流控制

3.1 射頻功率對(duì)束流的影響

通過對(duì)離子源的原理分析可知，在氣體流量、各極柵網(wǎng)電壓及真空度等參數(shù)不變的情況下，RF功率與束流密度(或IB)是正成比例關(guān)系。

為了保障工藝穩(wěn)定性，需要束流大小相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)IB 高于工藝設(shè)定值時(shí)，主控電腦會(huì)通過控制器調(diào)節(jié)RF 電源輸出功率，使其按一定比例減小，輸出功率的減小，會(huì)使放電室中工作氣體得到的能量下降，氣體離子化程度降低，等離子體中離子密度變小，從而使IB 減??；反之，當(dāng)IB 低于要求值時(shí)，RF 功率會(huì)增加，氣體離子化程度升高，等離子密度變大，離子濃度增大，從而使IB 升高。機(jī)臺(tái)控制系統(tǒng)就是通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)RF 的功率來穩(wěn)定IB 電流。

3.2 抑制極對(duì)束流的影響

抑制極主要有2 個(gè)作用：（1）有部分離子吸出時(shí)，與柵網(wǎng)空洞形成的通道并不平行，無法垂直作用于晶圓表面，抑制極本身加有負(fù)電壓，可以很好地將這一部分偏移的離子吸收，保障引出的離子束的方向，起到聚焦的作用；（2）防止加工過程中，離子束轟擊晶圓表面形成的二次濺射的離子進(jìn)入離子源。

當(dāng)抑制極加負(fù)電壓絕對(duì)值偏高時(shí)，抑制極對(duì)正離子拉引力增大，吸出的一些離子無法正常穿過柵孔而直接被抑制極吸收，抑制極上檢測(cè)到的抑制極電流變大，出現(xiàn)過聚焦現(xiàn)象，這會(huì)降低離子源的精度和減少柵網(wǎng)的壽命。

當(dāng)抑制極加負(fù)電壓絕對(duì)值偏低時(shí)，吸出極和抑制極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度低，對(duì)偏移的離子聚焦強(qiáng)度不夠，離子束發(fā)散角偏大；同時(shí)對(duì)放電室外PBN 和濺射過程中產(chǎn)生的電子的抑制力不夠，部分電子回溯到吸出極上，致使IB 電流上升，IB 無法準(zhǔn)確表征引出束流大小。

4 等離子體橋中和器（PBN）

常見的等離子體橋中和器(Plasma bridge Neutralizer，PBN)的種類分有燈絲和無燈絲兩大類。有燈絲中和器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本低，但受燈絲壽命所限，維護(hù)頻率高。無燈絲的射頻中和器使用周期長(zhǎng)，無污染性，穩(wěn)定性高，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，價(jià)格高。IBE使用的PBN 為有燈絲中和器，其本質(zhì)是一個(gè)小型的考夫曼離子源，PBN 實(shí)物和原理如圖4 所示。

圖4 PBN 實(shí)物和原理圖

工作時(shí)，燈絲電源給陰極燈絲供電，在PBN腔體內(nèi)產(chǎn)生自由電子，通入的Ar 氣在自由電子和放電（Discharge）電壓的共同作用下，輝光放電，產(chǎn)生等離子體，施加在外殼（Body）上的電壓將等離子體中的電子吸出，帶正電的離子被外殼吸收形成殼體電流Ib，該電流用以表征PBN 吸出的電子束流大小。PBN 的主要作用有2 個(gè)：

（1）中和離子束電流，防止束流分散。帶電離子轟擊工件表面會(huì)形成電荷堆積，排斥后續(xù)離子束，此外，離子束內(nèi)部的離子也會(huì)相互排斥形成擴(kuò)散，影響加工精度[5]。因此離子銑在加工晶圓時(shí)，轟擊晶圓表面的實(shí)際是電中性的粒子。離子源引出的離子離開柵網(wǎng)后會(huì)經(jīng)過PBN 吸出的電子區(qū)域進(jìn)行電中和，然后再轟擊晶圓表面。實(shí)際在使用過程中，為保證離子充分中和，會(huì)通過控制殼體電流Ib和IB比值k 來控制離子束的中和效果，k 值一般設(shè)置在1.2～1.5[5]。

（2）輔助離子源啟輝。為了實(shí)現(xiàn)更好的刻蝕深寬比和更長(zhǎng)柵網(wǎng)壽命，同時(shí)減少碰撞效應(yīng)[1]（可能引起束流的散射和反濺射效應(yīng)），工作時(shí)真空腔體內(nèi)部需要一直處于高真空狀態(tài)，此時(shí)腔體內(nèi)部自由電子較少，不利于RF 射頻啟輝。為解決這一矛盾，整個(gè)離子束系統(tǒng)工作時(shí)，首先對(duì)PBN 進(jìn)行通電起弧，待其穩(wěn)定后，在吸出極上加1 000 V 的高壓，將PBN 電子束流的部分電子引入放電腔室中，此時(shí)再啟動(dòng)RF 射頻電源，很好地解決了高真空RF 離子源啟輝難的問題。通過這種方法，離子源可在6.7×10-4Pa 的極限條件下啟輝，工作時(shí)腔體真空值也不會(huì)超過4×10-2Pa。

5 離子束系統(tǒng)常見故障

根據(jù)故障發(fā)生的位置，可將離子束系統(tǒng)常見的故障大致分為3 類，射頻類故障、柵網(wǎng)類故障和PBN 故障。

5.1 射頻類故障

此類故障的主要現(xiàn)象有：石英放電腔室內(nèi)氣體無法啟輝；RF 反射功率過大；RF 射頻功率不斷加大，IB依舊無法達(dá)到設(shè)定值。主要原因有：腔體真空度異常；設(shè)備RF 射頻電源故障；轟擊晶圓表面產(chǎn)生的金屬濺射粒子穿過柵網(wǎng)孔，沉積在石英腔體內(nèi)部，增加RF 射頻啟輝難度，需要噴砂處理石英腔體。

5.2 柵網(wǎng)類故障

這類故障產(chǎn)生的原因主要是離子銑過程中產(chǎn)生的反濺射效應(yīng)，即離子束轟擊晶圓表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生金屬粒子濺射。接地極的主要作用就是攔截此類金屬粒子，防止內(nèi)部石英腔體沾污和柵網(wǎng)相互之間短路，延長(zhǎng)維保周期。但長(zhǎng)時(shí)間的工作，各層?xùn)啪W(wǎng)還是會(huì)有金屬層附著。由于柵網(wǎng)的特殊材質(zhì)，和金屬附著物的結(jié)合力較差，部分金屬脫落形成碎屑，卡在各層?xùn)啪W(wǎng)之間，造成柵網(wǎng)相互短路。此類故障占比較大，主要現(xiàn)象有吸出極和抑制極電壓劇烈波動(dòng)，無法正常引出離子束，或者表現(xiàn)為抑制極電流過大，超過設(shè)定的報(bào)警值?？衫玫?dú)鈽寣?duì)三層?xùn)啪W(wǎng)進(jìn)行吹掃和清潔，或者拆卸整個(gè)柵網(wǎng)模塊，進(jìn)行噴砂處理，來解決此類故障。噴砂時(shí)要注意防止柵網(wǎng)變形，影響離子束精度。重新安裝時(shí)，要注意三層?xùn)啪W(wǎng)電極接線，當(dāng)電壓接反時(shí)，柵網(wǎng)會(huì)拉出呈黃色的電子，而正常情況下拉出的是呈藍(lán)色的離子。

5.3 PBN 故障

PBN 內(nèi)部燈絲是整個(gè)離子束系統(tǒng)中唯一的易耗品，當(dāng)燈絲壽命耗盡，燈絲斷裂時(shí)，燈絲電源輸出電壓正常，但無燈絲電流，機(jī)臺(tái)報(bào)警，需要立即更換燈絲，更換過程中要佩戴手套，防止燈絲污染。由于燈絲是通過壓塊固定在電極上，燈絲工作時(shí)的高溫，會(huì)令固定螺絲松動(dòng)，燈絲和電極接觸不良，形成燈絲斷裂的假象，此時(shí)擰緊固定螺絲即可。此外，這種松動(dòng)會(huì)使燈絲和電極之間產(chǎn)出放電打火，所以該電極也需要定期檢查和更換。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過解析了離子束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、原理和該系統(tǒng)的常見故障，提出了故障處理的解決方案，可為同類設(shè)備的使用、維修和保養(yǎng)提供有益的幫助。IBE 作為一種應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體專用設(shè)備，掌握其結(jié)構(gòu)原理，可以更好地提高工藝穩(wěn)定性，縮短設(shè)備修復(fù)時(shí)間，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。