半導體真空腔體靜態密封和檢漏分析

陳 軍

杭州大和熱磁電子有限公司 浙江 杭州 310053

前言

在科學技術高速發展的背景下，半導體真空腔體質量受到了人們的高度重視，由于真空腔體密封效果會直接影響系統設備的應用成效，因此，對半導體真空腔體靜態密封和檢漏方法進行研究，具有十分重要的意義。

1 真空腔體的材料選擇

半導體設備制造對真空腔體的實用性能提出了極高要求，其中最受重視的就是其密封性能。在使用真空腔體時，保證部件密封良好是提高其使用價值的關鍵，但這種部件的密封性將會受到多方面因素干擾。在這些干擾因素當中，一部分來自于真空腔體材料自身。為此，相關工作人員應該以提高半導體真空腔體靜態密封性為目標，合理選擇零部件制作材料以及其密封面的粗糙度。

在實際作業環節，最為常見的半導體設備真空腔體制作材料是AL6061-T6。這是一種經過了“固溶處理+人工時效”(T6熱處理)的6061鋁合金，具有密度小、化學活性大且機械性能優良的特點，且材料加工的便捷性強，在材料、塑性搭配以及抗腐蝕能力方面極具優勢，可以有效避免應力風險，更能充分滿足半導體真空腔體的制作要求。制作半導體真空腔體時，相關工作人員需要保證被選材料的合理應用，比如，基于真空腔體密封性要求，控制其密封面的粗糙度和抗腐蝕能力，從而保證部件的密封性。通常來說，真空腔體都會遭受工藝氣體腐蝕威脅，這些腐蝕性氣體源自于半導體工藝制程，為規避此類型風險，需要對真空腔體的真空密封區和密封槽表面進行科學處理，從而使其理化性能得到提升[1]。比如，開展陽極化表面處理，全面提升6061鋁合金的耐腐蝕、耐磨、耐熱和絕緣性，增強材料硬度，使其在被打磨成0.4μm的粗糙度以后，能夠擁有更高的密封性。

2 真空腔體密封圈槽的選擇與密封圈的安裝

在提升半導體真空腔體靜態密封性時，相關工作人員還應該重點關注密封圈和密封槽，它們的實用性以及匹配性都將會直接影響密封效果。在此環節，不僅需要保證密封圈選材合理、密封槽尺寸合理，更要確保密封圈安裝符合標準。

2.1 密封圈的選材與安裝 密封圈材質的適用性、密封圈與密封槽之間的匹配性和密封圈安裝的正確性都將能有效延長密封圈的使用壽命，進而讓真空腔體和半導體系統設備的整體密封性得到保障。原則上，腔體越大、工藝溫度越高、變形越大的優先選擇大尺寸線徑的密封圈。而密封圈的實際尺寸應該根據真空腔體中密封圈放置空間的預留位置和大小來決定[2]。當同一平面上存在的密封圈≥2個時，設計人員應該盡量保證它們的尺寸一致，從而為降低計算難度、降低密封槽的加工成本奠定基礎。當然，在選擇密封圈材料時設計人員還需從造價、硬度、性能等多角度出發進行綜合考量。

在安裝密封圈時，操作人員必須保證密封圈被放置在真空側附近的位置，進而從根本上避免出現密封圈被損毀風險。檢查密封面、清洗密封圈和保證密封圈不旋轉扭曲是安裝密封圈前的必備性操作，安裝密封圈之前需要仔細檢查密封槽密封面是否滿足要求并進行再次清潔；此后可采用無塵紗布醮IPA清洗凈密封圈，并要仔細檢查確認密封圈上沒有殘留紗布屑，并確保擦冼時不能用力拉伸密封圈；最后在安裝密封圈時，應當先按2點將密封圈對稱壓入密封槽，然后把沒有壓入的密封圈段中間位置壓入密封槽內，最后將整個密封圈壓入密封槽內。密封圈安裝好后需要仔細檢查密封圈是否凹凸不平和扭曲，保證密封圈的成型面不在密封面上。為避免安裝過程損壞密封圈和密封面，安裝人員應該選擇非金屬制作的專門塑料工具拆卸密封圈。在實踐工作當中，密封槽的形狀和尺寸并不統一，若遇到非圓形密封槽，相關工作人員就需要經過合理計算，保證密封圈設計數值大于密封槽拐角半徑的最小值，從而為延長密封圈的使用壽命做好充足準備。此外，半導體真空腔體密封環節還會面臨漏滲水危機。當有通水需要時，真空腔體的設計人員必須高度重視密封工作，保證密封設計方案具有適應性。此時，可基于雙層密封模式設計密封槽，實現水體和氣體的雙重密封。

2.2 密封槽的設計 半導體真空腔體的密封槽種類繁多，設計人員應該基于實際要求和設計需要合理選定密封槽類型。最為常見的密封槽有矩形密封槽和燕尾密封槽兩種，后者還有單、雙燕尾槽之分。實際設計過程中，設計人員在保證真空腔體密封性能的前提下還應該考慮密封圈拆卸和安裝的方便及可操作性，合理設置和保留密封槽的加工刀具和拆卸工具入口。選用不同的密封槽，需要付出的成本和工作量之間存在明顯差異。矩形槽造價低且制作簡單，設計環節的計算工作也十分容易。當選用這種密封槽時，設計人員應基于密封圈不受拉伸的原則進行結構設計和工程計算。這樣一來，拉伸率就不在計算范圍之內。但在矩形槽當中，密封圈無法實現反向倒置安裝。燕尾槽能適用幾乎所有的應用場所，在設計選擇大尺寸的密封圈時，拉伸率的考慮也優為重要。在密封槽的設計上還需要考慮檢漏點以方便日常檢漏；通常設計人員把檢漏點、加工刀具下刀點、拆卸工具入口點設計為一點。

3 真空腔體的密封檢漏要點

半導體真空腔體的靜態密封性是否達到規定要求，需要基于檢漏結果來判斷。在實際作業環節，造成真空腔體真空度不達標的原因主要有三種:其一是真空泵使用無效，此時有效抽氣量不達標會引發真空狀態不佳；其二是存在放氣現象，無法達到標準真空度；其三是存在漏氣現象，難以保證真空腔體維持真空狀態。若存在漏氣問題，則真空腔體上必然會出現漏孔，那么優化和修復漏孔將成為檢漏工作的重點[3]。實際上，所謂真空腔體檢漏就是對漏氣位置、漏孔大小和漏氣程度進行檢測的過程。若漏氣時，氣體經漏孔或空隙從高壓向低壓移動，則表明真空腔體存在實漏；反之，若出現氣體流出引發的氣壓升高，則意味著真空腔體存在虛漏，虛漏問題大多由材料解析、放氣和凝結氣體再蒸發引起。

3.1 漏率檢測法 相比于半導體真空腔體的真空度能否達標，設備使用者往往更加重視其標準真空度能否得到有效保持。即是說，在半導體工藝制造環節，保證半導體真空腔體的持久真空才是工作重點。為此，相關工作人員應該提高半導體真空腔體密封性檢測，為提高真空腔體的密封保持能力奠定基礎。檢測密封性時，最為重要的一項檢測方法就是漏率檢測。通常來說，當制造者出現檢漏需求時，會首選漏率檢測。這種方法有著良好的直觀性、可靠性、無污染性和經濟性，能夠充分滿足人們的真空檢驗要求。

若已知漏氣處的兩側壓差，那么單位時間內經過漏氣處的給定溫度氣體量就是漏率，在真空領域當中漏率與壓力存在直接關系，可用公式Q=CPn來表達。其中，以Q代表漏孔漏氣率，以P代表系統內的壓力表的壓強值，而漏孔結構的待定常數則以C和n來表達。

當開展半導體真空腔體檢漏時，操作人員應基于從上到下、從外到內的原則開展檢測工作。此時，最先進入檢測狀態的就是水冷管道，隨后應根據真空腔體的機構依次開展密封圈、密封面、密封墊連接處、焊縫處的真空檢測，從而保證真空腔體檢漏的全面性。若檢測過程中找到漏氣點，那么相關工作人員需要進行謹慎處理。比如，真空狀態下嚴禁操作人員直接擰緊漏點螺釘；當真空腔體放氣至大氣壓狀態才能擰緊螺釘。當然，擰緊漏氣處螺釘后，還需再次開展抽氣檢漏工作，以免螺釘在大氣壓狀態下卡死。為保證密封效果，密封圈與密封面必須保持光滑且密封紋路必須沿著密封圈圓弧方向，若存在刮劃痕跡則必須立刻替換新的密封圈，以免因部件質量問題引發泄漏。經過檢驗后，相關工作需要基于所獲數據對真空腔體的密封性進行準確判斷。比如，漏率=10-7Pa·L/s時，代表真空腔體密封性良好；若漏率處于10-7Pa·L/s和10-6Pa·L/s之間時，代表真空腔體密封性處于標準狀態內；若漏率超過了10-6Pa·L/s，則代表著真空腔體密封性不佳，存在明顯的氣體泄漏情況。

3.2 靜態升壓法 這種方法同樣是真空腔體密封性檢測的常用方法，借助于靜態升壓法才能確定真空腔體是否存在良好的密封性，可以說此方法屬于判斷真空腔體真空度的必要條件。在應用時，操作人員需要將待檢測的真空腔體抽空到真空狀態，然后再通過關閉閥門來隔絕容器和真空泵；此時，使用真空計測量壓力變化值，可以準確地計算總漏率，從而確定真空腔體的密封性。通常來說，基于靜態升壓法測量真空腔體密封性時，相關工作人員需要以平均10分鐘/次的頻率記錄壓力變化，然后基于(末次壓力-首次壓力)/60來計算升壓率。

結論

總而言之，只有真空腔體的靜態密封性與半導體系統設備的密封性要求相符，才能保證該部件的應用有效性，以及半導體制造工藝的順利使用。在實踐工作當中，相關工作人員需要從材料選擇、密封槽設計、密封圈安裝等方面著手提高真空腔體的靜態密封性能；還需要科學的選擇檢漏方法:檢測漏率、檢測壓升率來保證半導體腔體檢漏的有效性。