基于實(shí)際應(yīng)用, 介紹了半導(dǎo)體設(shè)備真空結(jié)構(gòu)和真空室常用部件, 講述了He 質(zhì)譜檢漏儀的使用方法。總結(jié)了真空檢漏的經(jīng)驗(yàn), 闡述了微漏難檢的現(xiàn)狀。分析了磁控濺射臺(tái)和ICP 真空故障, 采用靜壓檢漏法和He 質(zhì)譜檢漏儀檢漏法, 給出了零部件微漏導(dǎo)致這些設(shè)備抽不上高真空的結(jié)論。指出今后的發(fā)展方向是真空部件小型化, 以及根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)來提高真空部件的可靠性。結(jié)果表明, 先排除干擾因素, 再細(xì)心檢漏, 可大大提高檢漏效率, 使設(shè)備盡快恢復(fù)正常。

引言

　　許多半導(dǎo)體設(shè)備要求高真空, 比如磁控濺射臺(tái)、電子束蒸發(fā)臺(tái)、ICP、PECVD 等設(shè)備。在高真空環(huán)境下, 潔凈度高、水蒸氣很少。一些半導(dǎo)體設(shè)備要用到有毒或有腐蝕性的特殊氣體, 在低漏率真空條件下, 這些氣體不易外泄, 設(shè)備能及時(shí)抽走未反應(yīng)氣體和氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物, 保證工藝人員的安全。但是隨著生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量的增加, 以及新工藝對(duì)設(shè)備要求的提高, 真空故障隨之增加。

1、真空泵

　　半導(dǎo)體設(shè)備上常用的真空泵有旋片真空泵、羅茨泵、干泵、分子泵和冷泵等。擴(kuò)散泵已經(jīng)很少使用。旋片真空泵可以接上N2 氣鎮(zhèn), 防止被抽氣體在泵油中凝結(jié); 接過濾器, 過濾泵油中的雜質(zhì); 接油霧過濾器和自動(dòng)回油裝置, 減少油的損耗。旋片真空泵分成普通型和防腐型。使用的油也分為普通真空泵油和防腐真空泵油, 這兩種油不能混合使用。羅茨泵主要功能是在低真空下增加抽氣速度。干泵的使用越來越多, 它使用小量的防腐真空泵油, 但是抽真空部分不含油。分子泵是靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片和靜止葉片一起將氣體抽走來產(chǎn)生高真空。冷泵是通過在泵內(nèi)冷頭上產(chǎn)生11 K 左右的極低溫度, 再加上吸附阱對(duì)氣體進(jìn)行吸附, 來達(dá)到抽高真空的目的。冷泵是由冷泵和高效He 壓縮機(jī)組成。

2、真空計(jì)和真空部件

　　常見真空計(jì)有電阻真空計(jì)( 皮拉尼真空計(jì)) 、熱電偶真空計(jì)、電容真空計(jì)、電離真空計(jì)、冷陰極電離真空計(jì)和全量程真空計(jì)等。其中冷陰極電離真空計(jì)又分為潘寧規(guī)、磁控管規(guī)和反磁控管規(guī)三種。全量程真空計(jì)是低真空計(jì)和高真空計(jì)的組合; 電阻真空計(jì)量程寬, 比較常用; 熱電偶真空計(jì)量程窄, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 不易損壞; 電容真空計(jì)測(cè)量值不受氣體種類的影響; 電離真空計(jì)屬于高真空計(jì),會(huì)發(fā)熱; 冷陰極電離真空計(jì)屬于高真空計(jì), 不發(fā)熱, 易維修; 全量程真空計(jì)自動(dòng)量程切換, 使用方便。

　　現(xiàn)在的大多數(shù)真空計(jì)探測(cè)頭和信號(hào)處理電路做在一起, 這樣能提高抗干擾能力并且促進(jìn)其小型化。大多數(shù)探測(cè)頭使用金屬材質(zhì)而不是玻璃材質(zhì),這樣更結(jié)實(shí)小巧。真空計(jì)顯示控制器也要求小型化, 有的做到了體積為105 mm × 110 mm × 250 mm,質(zhì)量為1.3 kg, 帶3 個(gè)接頭, 每個(gè)接頭可以接電阻真空計(jì)或冷陰極電離真空計(jì)等, 這種智能型真空計(jì)控制器攜帶和使用都很方便。

　　真空閥門的密封方式有: 可伸縮波紋管、可伸縮疊片波紋管、PTFE 或PFA 墊片、旋轉(zhuǎn)軸密封圈、/ O型密封圈等。波紋管密封件壽命比較長(zhǎng), 但是一旦出現(xiàn)問題, 維修起來很麻煩, 需要使用專用的激光焊接機(jī), 旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置常使用磁流體密封件。真空室上接有許多接頭, 常見的接頭有ISO-KF 接頭、ISO 接頭、CF 接頭、VCR 接頭、VCO 接頭和卡套接頭等。要求每個(gè)接頭的漏率[5 ×10- 10 Pa.m3/ s。

3、He 質(zhì)譜檢漏儀的使用

　　半導(dǎo)體設(shè)備真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障一般分為兩類:一是真空泵組及測(cè)量系統(tǒng)的故障, 另一個(gè)是真空系統(tǒng)的泄漏。對(duì)于第一類故障, 檢測(cè)真空泵的極限真空度或更換好的真空計(jì)就可以確認(rèn)。對(duì)于第二類故障則需要檢漏。在對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備檢漏時(shí)常使用兩種方法: 靜壓檢漏法和He 質(zhì)譜檢漏法。靜壓檢漏法就是用閥門將真空室與真空泵組隔開, 測(cè)量其內(nèi)部壓強(qiáng)的變化。He 質(zhì)譜檢漏法要復(fù)雜一些。

　　He 質(zhì)譜檢漏儀一般需要拿到現(xiàn)場(chǎng)去, 檢漏儀內(nèi)有分子泵, 因此搬運(yùn)時(shí)要輕拿輕放。常常選擇檢漏儀高靈敏度方式來檢漏, 這有利于保護(hù)分子泵。檢漏儀的抽氣能力有限, 因此常常需要設(shè)備自己抽好真空。真空抽到0.5~ 10 Pa就行。等到漏率顯示穩(wěn)定或由穩(wěn)定轉(zhuǎn)成減少后再開始檢漏。在檢漏過程中如果需要對(duì)門閥、粗抽閥、放氣閥等進(jìn)行操作, 則必需先讓檢漏儀停止檢漏并選擇檢漏口不放氣, 避免真空室突然進(jìn)入大量氣體而損壞檢漏儀。真空抽到后應(yīng)該關(guān)上門閥和粗抽閥, 以免分流導(dǎo)致漏率測(cè)量值小于實(shí)際值。最好停掉設(shè)備上的分子泵和機(jī)械泵, 從而避免它們的干擾; 有冷泵的設(shè)備要想檢漏徹底應(yīng)該停掉冷泵。用真空法檢測(cè)雙密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品漏率時(shí), 常有漏率/ 緩慢升高的現(xiàn)象發(fā)生, 因此在檢漏過程中要注意這一點(diǎn)。另外, 要求He 袋不漏氣, 一般要求噴出的He 流量少, 這樣有利于確認(rèn)漏點(diǎn)位置, 但是也有特殊情況, 需要在某些He 不易到達(dá)的地方噴出較多He, 以避免漏檢。檢漏時(shí)加裝的波紋管不能檢漏, 發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)后要進(jìn)行第二次確認(rèn), 漏點(diǎn)維修后要再進(jìn)行檢漏確認(rèn)。

4、物理淀積設(shè)備檢漏

　　物理淀積設(shè)備有磁控濺射臺(tái)和電子束蒸發(fā)臺(tái)等設(shè)備�，F(xiàn)在以磁控濺射臺(tái)為例進(jìn)行說明。如圖1 所示, 該設(shè)備正常時(shí)2 h真空能抽到8 × 10^{- 5} Pa。關(guān)上門閥不抽真空室, 14 h后真空室壓強(qiáng)升到5 Pa。出現(xiàn)故障后, 2 h只能抽到3 × 10^{- 4} Pa。關(guān)上門閥不抽真空室, 14 h后真空室壓強(qiáng)升到1.4 × 10² Pa, 并且對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

圖1 濺射臺(tái)真空結(jié)構(gòu)

　　首先對(duì)該設(shè)備進(jìn)行靜壓檢漏。等真空室抽到9 × 10^{- 4} Pa后, 進(jìn)行3 min靜壓檢漏, 真空室壓強(qiáng)上升速度為7.3 × 10^{- 3} Pa/ min, 真空室體積約為0.3 m³。該設(shè)備電容真空計(jì)和全量程真空計(jì)讀數(shù)偏差不大, 兩個(gè)真空計(jì)同時(shí)出現(xiàn)故障的概率很小。因此首先考慮設(shè)備漏。用He 檢漏儀進(jìn)行檢漏, 發(fā)現(xiàn)測(cè)膜厚晶振連接頭漏率達(dá)4 × 10^{- 9} Pa.m³/ s, 延長(zhǎng)噴He 時(shí)間, 漏率達(dá)1 × 10^{- 8} Pa.m³/ s。接著停了冷泵,檢測(cè)了粗抽閥、放氣閥、主氣閥。然后讓冷泵開始再生程序升溫到室溫, 再停止再生。打開冷泵的充N2閥, 噴He 檢測(cè)門閥, 發(fā)現(xiàn)漏率達(dá)1.3 ×10^{- 8} Pa.m³/s。最后將檢漏儀接到冷泵上, 對(duì)冷泵上的管路閥門進(jìn)行檢漏。接下來拆下晶振接頭, 發(fā)現(xiàn)它的密封圈臟, 清洗后涂上薄薄的一層真空脂。裝回后再檢,仍然漏氣, 因此拆下該晶振接頭換上一個(gè)堵頭, 再檢漏確認(rèn)正常。拆下門閥閥板, 發(fā)現(xiàn)閥板上的密封圈上和閥體密封面上有許多金屬碎末, 清理后裝回, 檢漏正常。重新啟動(dòng)設(shè)備和冷泵, 確認(rèn)設(shè)備真空已經(jīng)恢復(fù)正�！，F(xiàn)在等真空室抽到9 × 10^{- 4} Pa后, 再做3 min 靜壓檢漏, 真空室壓強(qiáng)上升率為4.3 × 10^{- 3} Pa/ min。磁控濺射臺(tái)常見真空故障有密封圈臟, 門閥波紋管漏氣和真空計(jì)不準(zhǔn)等。電子束蒸發(fā)臺(tái)除了上訴故障外, 還有坩鍋水冷密封件漏氣和高壓電極漏氣等故障。

5、化學(xué)淀積和刻蝕設(shè)備檢漏

　　這類設(shè)備有PECVD, RIE, ICP 等。常涉及到特殊氣體和特殊反應(yīng)物, 其真空室比較小, 常使用分子泵抽高真空�，F(xiàn)以某ICP 為例進(jìn)行說明, 真空結(jié)構(gòu)如圖2, 圖2 真空室約30 L。出現(xiàn)故障后, 做3 min靜壓檢漏, 真空室壓強(qiáng)上升率超過允許值1.3 × 10^{- 1} Pa/ min, 達(dá)到10 Pa/min。用He 檢漏儀進(jìn)行檢漏, 發(fā)現(xiàn)真空室頂針下方的疊片可伸縮波紋管漏, 拆下該波紋管, 維修后裝回, 檢漏發(fā)現(xiàn)該處已恢復(fù)正常。但是啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行靜壓檢漏時(shí)發(fā)現(xiàn)真空室壓強(qiáng)上升率為1 Pa/ min, 仍然大于允許值。繼續(xù)檢漏, 停了分子泵, 沒有停干泵, 發(fā)現(xiàn)門封漏率達(dá)1.4 × 10^{- 8} Pa.m³/ s。停了干泵, 真空室壓強(qiáng)由6.5 Pa很快上升到30 Pa, 顯然有氣體通過真空管道漏到真空室。打開粗抽閥與干泵相連的端口進(jìn)行檢漏, 漏率為2 × 10^{- 8} Pa.m³/ s, 因此維修了該閥, 但是再檢漏沒有通過, 只能更換該閥門。將與分子泵相連的清洗閥拆下, 噴He 檢門閥1, 發(fā)現(xiàn)門閥1 漏率為5 × 10^{- 8} Pa.m³/ s。將清洗閥裝回, 拆下門閥修理后裝回, 門閥恢復(fù)正常。然后, 在維修模式下用干泵抽真空室和分子泵腔室, 在保證門閥兩側(cè)壓差<1 × 10³ Pa的情況下打開門閥1, 使真空室和分子泵腔室連通, 檢測(cè)分子泵上的管道和閥門, 沒有發(fā)現(xiàn)新的問題。

圖2 ICP 真空結(jié)構(gòu)

　　最后維修門封處的漏點(diǎn)。換門封密封圈, 漏率未見好轉(zhuǎn)。仔細(xì)檢查門封處的結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)上蓋有一個(gè)螺釘向下突出, 導(dǎo)致門封密封不好。但是將螺釘拆下比較困難, 因?yàn)檫@需松開上蓋。上蓋連有水冷管道, 限制了上蓋移動(dòng)范圍; 上蓋右側(cè)通過轉(zhuǎn)軸與真空室上平面相連, 同時(shí)上蓋與真空室下方用彈力大的彈力桿頂著, 導(dǎo)致拆卸安裝困難, 詳情見圖3。后來發(fā)現(xiàn)打開上蓋, 彈力桿的彈力變得很小,這時(shí)方便拆裝彈力桿; 松開兩塊檔板后露出兩個(gè)螺釘, 松開它們就可以松開轉(zhuǎn)軸。就這樣松開了上蓋, 將下墜的螺釘向上擰緊, 再將上蓋裝好, 門封恢復(fù)正常。啟動(dòng)設(shè)備確認(rèn)故障已修好。

圖3 ICP 真空室

6、結(jié)語

　　半導(dǎo)體設(shè)備真空部分有許多部件, 如果一個(gè)部件漏率較大, 很容易導(dǎo)致高真空抽不上去。半導(dǎo)體設(shè)備的真空疑難故障大多是微漏導(dǎo)致高真空抽不上。真空檢漏的難點(diǎn)是要重視操作的細(xì)節(jié)部分, 要有耐心。此外, 選擇國(guó)產(chǎn)高真空計(jì)時(shí)要留有余地,否則將無法顯示期望的高真空度。