半導體專用設備的真空系統維修

殷履文，刁振國，王振亞

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，江蘇南京 210016)

現在真空設備在半導體行業中的應用愈來愈廣泛，例如真空鍍膜類設備（蒸發，濺射），干法類設備（ICP，RIE，PECVD），材料生長類設備（MBE，MOCVD，LPCVD），熱處理設備（合金爐，退火爐），摻雜類設備（離子注入機等）這些真空設備作為半導體技術發展不可或缺的條件必將起到越來越重要的作用。

任何真空設備，經過一定時間的抽氣之后仍然達不到所要求的真空度（本底真空），可能是由于真空獲得、真空測量和真空檢漏這三個主要原因引起。真空獲得是真空設備正常運行的基礎，真空獲得設備(真空泵組)的性能好壞直接影響真空設備極限真空度，只有在設備具備了一定的真空度之后才能談到下面的真空測量和真空檢漏。真空測量是我們檢測真空設備是否正常運行的手段，通過真空計直接反映設備真空運行狀態。真空檢漏是保證真空設備正常運行的前提。維修真空設備的重點是要能準確判斷故障，找到起主導作用的因素，從而采取相應的措施。

1 真空獲得

各類真空泵即是真空獲得的設備，是用來產生和維持真空的裝置。利用真空泵把一特定容器內的氣體抽走，使該容器中的壓強低于一個大氣壓，這就是真空獲得。由于稀薄氣體分子在不同壓強范圍內氣體分子運動特性不同，所以較寬量程壓力范圍內不可能用一種真空泵來獲得。真空泵性能參數見表1。

表1 真空泵性能參數表

如表1所述，由于不同類型真空泵的工作原理不同，而各有其特點和工作范圍。比如有些泵可直接從大氣開始工作，有些泵則必須借助前級泵才能工作。下面列舉常用真空泵的應用特點：

1.1 旋片真空泵

旋片真空泵又稱機械真空泵屬于低真空泵類。它具有從大氣直接排氣的特性，既可以單獨使用，也可作為高真空泵或超高真空泵的前級泵。旋片泵的工作原理是基于變容作用，用油來保持運動部件之間密封，靠機械的方法來密封腔體容積，使容積周期性增大、縮小，從而達到排氣的目的。所以旋片泵極限真空度下降，會出現噪聲大，卡死等現象，它與油的質量和機械轉動有關。

1.2 分子泵

渦輪分子泵是半導體工藝中常用的高真空泵，適用于要求清潔的高真空和超高真空的半導體設備，例如在各類干法設備中世界各主流廠商（STS，ULVAC，OXFORD等）的真空泵組配置基本都是干泵＋分子泵，分子泵是靠高速轉子攜代氣體分子獲得超高真空的一種機械式真空泵，工作壓力范圍為1×10-1～1×10-8Pa，它具有抽速較大，抽速范圍寬的特點，但它不能直接對大氣排氣，需要配置前級泵、由于分子泵屬于分子動能泵在大氣壓下啟動分子泵，分子密度過大泵工作要發熱損壞。

1.3 油擴散泵

油擴散泵的主要特點是在高真空下，對各種氣體都有很高的抽速，使用維護都很方便，無機械運動，不易損壞，但相比于其它高真空泵它的缺點是有油蒸汽，容易污染真空設備腔體。油擴散泵是一種蒸氣流泵，其工作原理利用蒸流的作用來將低密度氣體壓縮為較高密度使其達到機械泵能夠作用氣體壓強范圍被抽走。由于油分子量是空氣分子量15～20倍，油分子能比空氣大一個數量級，泵油在加熱情況形成每秒200 m定向運動的蒸氣流是油擴散泵的關鍵。由此看來，擴散泵若要正常工作應滿足以下條件：

（1）擴散泵在加熱時必須有足夠大的蒸氣壓，而在冷卻后要有足夠低的蒸氣壓。

(2)一定要有前級泵才能工作，因只有油蒸氣流密度遠大于空氣密度時才能形成高速氣流。

(3)要有足夠的加熱功率，使油鍋內油迅速蒸發，通過噴嘴形成定向射流。

(4)要有足夠的冷卻能力，使油蒸氣碰到泵壁時能很快地冷凝為液體返回油鍋，否則冷卻不夠產生反擴散，降低真空度。

1.4 低溫冷凝泵

冷泵是利用吸附材料（活性炭，分子篩等）在低溫下吸附真空設備中的氣體的原理進行工作的。相比于油擴散泵，冷泵的優點在于由于不含油蒸汽，可以得到極為潔凈的真空，而且由于冷面尺寸不受限制，可得到很大的抽氣速率，因此在各類鍍膜類和材料生長類設備中得到了廣泛應用。

圖1所示為閉循環小型制冷機低溫泵。它由低溫泵，壓縮機和膨脹機等部分組成。制冷介質氦氣由壓縮機壓縮，經進氣管到膨脹機。這時進氣閥門打開，膨脹機活塞在專用電機帶動下向上運動，使膨脹機下腔充滿高壓氣體。當活塞到達上部頂端時，關閉進氣閥，同時打開排氣閥，使膨脹機與低壓端相通，氣體膨脹制冷，活塞向下移動把冷量貯存在活塞內的蓄冷器中。如此多次循環，便在一，二級冷頭處分別獲得低于80 K和20 K的低溫和所需的制冷功率，并使氣體在低溫傘上凝結，在活性炭上被吸附。

圖1 閉循環小型制冷機低溫泵

2 真空測量

真空測量是指用特定的儀器，對某一真空設備空間內真空度高低來進行測量。因此真空測量儀表好壞直接影響設備正常運行。真空計的種類很多，大體上可分絕對真空計和相對真空計兩大類。凡通過測定物理參數直接計出氣體壓強的真空計稱為絕對真空計。通過測量與壓強有關物理量，并進行計算得到壓強值的真空計稱為相對真空計。絕對真空計精度較高，一般作為標準用，在實際生產中，大都使用相對真空計。

近代真空技術所涉及到的壓力范圍寬達19個數級(1×105～1×10-14Pa)，沒有任何一種真空計能測量如此寬的壓力范圍，因此總是用幾種真空計分別測量一定的區域。在實際工作中，如何根據真空設備的要求選用合適的真空計，應按以下幾個原則選用：

（1）量程要求。所用真空計的測量范圍應比被測壓力范圍寬1～2數量級。

（2）精度要求。若選用的真空計測出來的數據誤差超出了工藝的要求，產品質量就會受影響

（3）信號的接受。真空計將真空壓力轉換成電信號后，可有兩種形式被系統接受即數字信號和模擬信號，需根據系統的要求來選擇。

（4）使用的環境。所測真空環境有無輻射，有無腐蝕，污染是否嚴重等等都需要考慮。

（5）價格的因素。真空計價格是否適宜以及該計是否易于維護等。

3 真空檢漏

真空檢漏是真空獲得的保證，它是檢測真空系統的漏氣部位及其大小的過程。漏氣是影響真空獲得和真空維持的主要因素之一。

由于漏孔存在會抵消真空泵部分抽氣作用，延長抽氣時間，降低真空設備的極限真空。即使在動態情況下能夠達到較高真空度，待與真空抽氣系統連接閥門關閉，靜態內部壓力會迅速上升，嚴重影響設備的工作特性及壽命。

真空系統漏氣是絕對的，不漏氣是相對的，對于動態真空系統，只要其平衡壓力能夠達到所要求的真空度，這時即使存在著漏孔，也可以視為該系統的漏率是容許的，動態真空系統的最大容許漏率Q應滿足式（1）：

式中：P為系統工作壓力；S為系統的有效抽速。

對于靜態真空系統，要求在一定時間內，其壓力維持在容許的壓力以內，這時即使存在著漏孔，同樣可以認為該系統的漏率是容許的，靜態真空系統最大容許漏率Qmax應滿足式（2）：

式中：P為系統工作壓力；Pt為系統極限壓；V系統容積；t為時間。

檢測漏點：真空設備維修比較頭疼的問題是檢測漏率。真空泄露分為內漏和外漏，外漏比較好檢測，內漏則相對困難些。外漏可以利用在高真空狀態下電離管對某些氣體反應敏感來檢測，比如丙酮或酒精，用醫用注射器向可疑的地方噴射丙酮或酒精，當噴到漏點時電離計的指針（讀數）會有明顯擺動。對于更加細小的漏點則可以借助檢漏儀來檢漏：例如現在最常用的氦質譜檢漏儀，如圖2所示。

氦質譜檢漏儀是用氦氣作為示漏氣體的專門用于檢漏的儀器，它具有性能穩定，靈敏度高（1×10-9～1×10-15（Pa·m3）/s）等特點。其組成部分包括：離子源分析器，收集器，冷陰極電離規組成的質譜室和真空抽氣系統及電氣部分。原理是通過向真空設備漏點噴射氦氣，氣體經過真空設備腔體進入檢漏儀，在檢漏儀電離室內，氣體電離成正離子，在電場作用下形成離子束，并在加速電壓作用下以一定得速度經過加速極的縫隙進入分析器，在均勻磁場的作用下，具有一定速度的離子將按圓形軌跡運動，其偏轉半徑可按式（3）計算：

圖2 氦質譜檢漏儀

式中：R為離子束偏轉半徑；B為均勻磁場的磁感應強度；U加速電壓；me-1離子的質荷比

可見，當B和U為定值時，不同質荷比me-1的離子束偏轉半徑R不同。儀器的B和R是固定的，調節加速電壓U就可以使氦離子束到達收集器，形成離子流。通過測量離子流的大小就可計算出真空設備的漏率。

內漏多發生在有水冷套的設備上，查找外漏沒有發現疑點，但是卻有：機械泵的抽速明顯偏低，真空計讀數低，機械泵油很快乳化，真空腔體內的鐵基部件有銹蝕痕跡，則基本可以確定有內漏。

4 結 論

半導體真空設備普遍存在自動化程度高，過程控制復雜等特點。當這些真空設備出現故障，我們的經驗是不要急于下結論，不要急于拆卸設備，應認真分析故障現象，先用真空測量儀器大概判斷出設備狀態。然后對真空泵單獨測試和整個真空機組進行檢測，在確保真空獲得無問題情況下。進行真空檢漏，檢漏根據設備實際情況，選用合適的檢漏儀及檢漏方式。先進行靜態升壓試驗，判斷漏氣和放氣。然后進行分段與整體檢漏，找出漏點，并確定其漏率大小。 根據上述真空維修方法，理論和實踐相結合，我們對各類半導體真空設備進行實踐，成功解決設備故障，取得良好效果。

[1]張世偉.真空物理基礎http://www.chinesevacuum.com/Show Article.aspx?id=616 2005.07.18

[2]JB/T6533-2005 旋片真空泵[S].

[3]GB/T3163-1993真空技術術語[S].

[4]GB/T18193-2000真空技術質譜檢漏儀校準[S].

[5]陳毅功.半導體設備維修工程實務[J].電子工業專用設備，2000，29(2):20-27.