离子注入机故障分析处理
离子注入机部分故障的分析处理
总述
离子注入机在半导体制程中完成搀杂工艺，为了完成工艺目的，注入设备采用了很多特殊的装置来完成特定的任务，如离子源部产生所需搀杂的离子；使用高压电源引出离子；使用透镜磁场用于离子束的整形；使用加速电源使离子达到规定的能量；使用法拉第系统测定离子束的大小；使用剂量控制器监视并控制搀杂的剂量等等。除此之外，设备还包含很多必需的附属的部分，比如设备作业过程中对于制品特别关键的真空系统；设备冷却所需要的纯水和冷却水系统；各种阀门及动作部件的气动系统等等。
总之，离子注入设备在半导体制程中是最为复杂的设备之一，设备一旦发生问题，需要设备人员考虑的设备原因可能是多方面的，需要设备维护人员对于各个方面都要有比较清楚的了解，积累经验是一方面，另外只有了解了设备根本的控制原理，才能够在设备维护方面达到一个较高的境界，这需要大家对于电气控制和单片机知识都要有基本的了解。
一、注入机控制系统中遵循低电平有效的原则。
对于注入机的电气系统方面的控制，一般遵循低电位有效这一个原则，对于设备使用的一系列的阀组控制、信号传输均是低电平有效。如果遵循此原则，在此类故障判定方面很有帮助。
低
高
低
高
图一 DIGITAL I/O输出部分
上图是E500HP阀组控制的DIGITAL I/O OUTPUT控制图的一部分，处理器的低电平信号由左侧输入，使光耦ILQ2导通，＋12V高电平触发达林顿芯片ULN2804A，输出低电平，使相应阀组的继电器线圈得电动作，从而使电磁阀动作，推动相应的阀门等等运动部件动作。如果相应的部件没有动作，在确保如阀门等运动部件良好的情况下，我们可以通过测量是否有此低电平转换来判定控制系统是否出问题。
图二 DIGITAL I/O输入部分
从上图我们可以看出，左侧是继电器闭合的输入信号，＋12V通过继电器线圈、RN排阻触发ILQ光电耦合的发光二极管，使光耦三极管侧+5V对地导通，产生相应的低电平输入信号，在控制台可能会显示某个阀门打开或闭合等等状态。同理如果运动部件的实际动作是正常的，而控制台显示的状态不对，我们可以通过测定此低电平来判定控制系统是否正常。
这只是Varian公司的控制方式，其他公司使用sensor来检知阀门的动作，然后反馈到系统中，虽然实现的方式不同，但仍会沿用sensor动作产生低电平输入信号这一原则。下图中，相应sensor的开闭信号从右侧进入，触发光耦二极管，使光耦三极管导通，系统信号最终还是通过光耦三极管
导通产生的低电平作为信号输入。
图三 AXCELIS Inject vacuum DI阀门状态输入部分
二、分析解决问题应该由浅入深
注入机的核心部件都是经过严格测试并且由专业厂家生产，各种保护（INTERLOCK）比较完备，出现致命故障的机率应该是比较低的，一般来说如果此类部品出现问题，先要从外围入手，考虑相关条件是否满足，如果确认外围条件无误，再考虑部品本身是否出现了器件方面的问题。
我们曾经经历过Varian公司180xp离子注入机的一个故障，故障的现象是高电压不稳定。一般情况在分析高压不稳定的故障，我们首先可能想到是否是高压区域的绝缘是否出现了问题，然后会很自然的想到高压不稳定是显示的问题还是实际高压就不稳定？这需要对高压进行实际测定。我们应该有一个意识，如果绝缘的问题，高压一般应该在加到某一个值的时候高压出现异常，如高压在50KeV以下没有问题，但在50KeV以上会出现波动。具体到我们这次问题，高压也是从10KeV以上出现波动，绝缘异常的可能性比较大。高压区域绝缘涉及到多方面因素，比如排气管、gas cabinet对地的绝缘、bushing本身的清洁等等，我们最终排除不是绝缘问题后，并且在实测过程中印证了我们的判断，应该是高压控制系统出现了问题。
注入机高压的控制系统一般是控制器低压的基准信号输入到高压控制柜，来控制高压的输出，比如我们的180xp是控制器0-10V对应高压的0-180KeV，通过测量低压的控制信号我们发现此控制信号也是不稳定的，由此我们可以判定高压的控制信号出现了问题，通过对控制图的仔细分析发现故障的原因是由于控制台高压设定信号使用的+5V电源的纹波太大，从而造成高压控制的基准电压波动，进而造成高压的波动。这种情况一般出现在比较古老的设备，由于电子元器件老化造成的。
180xp还出现过另外类似的滤波电容老化故障、一些泄放回路的电阻过热碳化等等故障也说明了此问题。
三、掌握一些单片机知识对设备维护有帮助
注入设备的控制系统是相当复杂的，越高级的设备集成度越高，设备中普遍使用计算机作为信息处理的中心，不过它们处理的信号全部是数字信号，具体到每部分最底层与模拟信号打交道的接口控制板，单片机的应用还是很普遍的，由单片机处理完的各种数字信号，直接通过单片机的通信口与上位机共同完成控制功能。所以掌握一些基本的单片机知识对于设备故障分析及设备整体控制方式的理解都是很有益处的。比如A/D转换、地址/数据总线、端口的读取和写入、时钟、时序等等，虽然内部程序我们并不清楚，但对于设备的
整体理解还是有帮助的。
Varian公司的E500hp有一段时间报警如下：Inlet cooling water to hot or no flow。大家应该比较迅速的反应出来故障是由于冷却水过热或没有流量了，进而我们会联想到温度检测sensor和流量检测的flow switch是否出现了问题，试验证明，如果我们将相应的flow switch拔掉，的确会出现相同的报警，但是否就是flow switch的问题呢？如何验证呢？
图四E500HP 流量监控控制图
由图四，我们很清楚的看到CITY WATER FLOW、CYRO COMP WATER FLOW、PLATEN WATER FLOW的信号通过处理后，分别输入到数字输入输出控制板中8751单片机的端口2的5，6，7位，其他1－4也由不同的流量控制信号使用，0位是备用，一直是高电平，结合低电平有效的原则，如果flow switch全部正常的话，端口2的1－7都应该是低电平（0位为1备用），也就是全0，那么端口2的输入对应十进制的应该是1，如果CITY WATER FLOW信号异常的话，第7位变成高电平，十进制应该变成129，而且出现故障时，故障在一段时间内一直存在，说明电平的转换在一段时间内保持着，我们可以通过查询端口2的数值来判定是否FLOW SWITCH出现了问题。使用系统提供的命令，我们在设备故障的时候查询端口2的数值，发现始终为1，应该可以确认FLOW SWITCH是正常的。故障应该是温度异常造成的。下一步通过更换温度sensor解决了故障。
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结束语：
各个公司生产的离子注入设备各有个的特点，对于特定部位的调整还需要设备维护工程师按照厂商的培训或维护手册积累经验来完成，对于基本知识的实践和应用需要在平时的工作中细心揣摩、点滴积累，只有这样我们才能不断提高自身技术水平。