基于實際應(yīng)用，本文介紹了半導(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，闡述了微漏難檢的現(xiàn)狀。分析了磁控濺射臺和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、電子束蒸發(fā)臺、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11K左右的極低溫度，再加上吸附阱對氣體進行吸附，來達到抽高真空的目的。冷泵是由冷泵和高效He壓縮機組成。
2、真空計和真空部件
常見真空計有電阻真空計( 皮拉尼真空計) 、熱電偶真空計、電容真空計、電離真空計、冷陰極電離真空計和全量程真空計等。其中冷陰極電離真空計又分為潘寧規(guī)、磁控管規(guī)和反磁控管規(guī)三種。全量程真空計是低真空計和高真空計的組合；電阻真空計量程寬，比較常用；熱電偶真空計量程窄，結(jié)構(gòu)簡單，不易損壞；電容真空計測量值不受氣體種類的影響；電離真空計屬于高真空計，會發(fā)熱；冷陰極電離真空計屬于高真空計，不發(fā)熱，易維修；全量程真空計自動量程切換，使用方便。
現(xiàn)在的大多數(shù)真空計探測頭和信號處理電路做在一起，這樣能提高抗干擾能力并且促進其小型化。大多數(shù)探測頭使用金屬材質(zhì)而不是玻璃材質(zhì)，這樣更結(jié)實小巧。真空計顯示控制器也要求小型化，有的做到了體積為105mm×110mm×250mm，質(zhì)量為1.3kg，帶3個接頭，每個接頭可以接電阻真空計或冷陰極電離真空計等，這種智能型真空計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，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，旋轉(zhuǎn)傳動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。要求每個接頭的漏率為5×10-10Pa.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：一是真空泵組及測量系統(tǒng)的故障，另一個是真空系統(tǒng)的泄漏。對于第一類故障，檢測真空泵的極限真空度或更換好的真空計就可以確認。對于第二類故障則需要檢漏。在對半導(dǎo)體設(shè)備檢漏時常使用兩種方法：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，測量其內(nèi)部壓強的變化。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)場去，檢漏儀內(nèi)有分子泵，因此搬運時要輕拿輕放。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0.5～10Pa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門閥、粗抽閥、放氣閥等進行操作，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)致漏率測量值小于實際值。最好停掉設(shè)備上的分子泵和機械泵，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。
用真空法檢測雙密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品漏率時，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。另外, 要求He袋不漏氣，一般要求噴出的He流量少，這樣有利于確認漏點位置，但是也有特殊情況，需要在某些He不易到達的地方噴出較多He，以避免漏檢。檢漏時加裝的波紋管不能檢漏，發(fā)現(xiàn)漏點后要進行第二次確認，漏點維修后要再進行檢漏確認。
4、物理淀積設(shè)備檢漏
物理淀積設(shè)備有磁控濺射臺和電子束蒸發(fā)臺等設(shè)備。現(xiàn)在以磁控濺射臺為例進行說明。如下圖所示，該設(shè)備正常時2h真空能抽到8×10-5Pa。關(guān)上門閥不抽真空室，14h后真空室壓強升到5Pa。出現(xiàn)故障后，2h只能抽到3×10-4 Pa。關(guān)上門閥不抽真空室，14h后真空室壓強升到1.4×102 Pa，并且對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。
半導(dǎo)體真空設(shè)備零部件與檢漏方法
● 濺射臺真空結(jié)構(gòu)
首先對該設(shè)備進行靜壓檢漏。等真空室抽到9×10-4 Pa后，進行3min靜壓檢漏，真空室壓強上升速度為7.3×10-3 Pa/ min，真空室體積約為0.3m3。該設(shè)備電容真空計和全量程真空計讀數(shù)偏差不大，兩個真空計同時出現(xiàn)故障的概率很小。因此首先考慮設(shè)備漏。
用He檢漏儀進行檢漏，發(fā)現(xiàn)測膜厚晶振連接頭漏率達4×10-9 Pa.m3/ s，延長噴He時間, 漏率達1×10-8 Pa.m3/ s。接著停了冷泵，檢測了粗抽閥、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檢測門閥，發(fā)現(xiàn)漏率達1.3×10-8 Pa.m3/s。最后將檢漏儀接到冷泵上，對冷泵上的管路閥門進行檢漏。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堵頭，再檢漏確認正常。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。
重新啟動設(shè)備和冷泵，確認設(shè)備真空已經(jīng)恢復(fù)正常�，F(xiàn)在等真空室抽到9×10-4 Pa后，再做3min靜壓檢漏，真空室壓強上升率為4.3×10-3 Pa/min。磁控濺射臺常見真空故障有密封圈臟，門閥波紋管漏氣和真空計不準等。電子束蒸發(fā)臺除了上訴故障外，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。
現(xiàn)以某ICP為例進行說明，真空結(jié)構(gòu)如下圖，真空室約30L。出現(xiàn)故障后，做3min靜壓檢漏，真空室壓強上升率超過允許值1.3×10-1 Pa/ min，達到10 Pa/min。用He檢漏儀進行檢漏，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。
但是啟動設(shè)備進行靜壓檢漏時發(fā)現(xiàn)真空室壓強上升率為1Pa/ 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1.4×10-8 Pa.m3/ s。停了干泵，真空室壓強由6.5Pa很快上升到30Pa，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，檢測分子泵上的管道和閥門，沒有發(fā)現(xiàn)新的問題。
半導(dǎo)體真空設(shè)備零部件與檢漏方法
● ICP 真空結(jié)構(gòu)
最后維修門封處的漏點。換門封密封圈，漏率未見好轉(zhuǎn)。仔細檢查門封處的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)上蓋有一個螺釘向下突出，導(dǎo)致門封密封不好。但是將螺釘拆下比較困難，因為這需松開上蓋。上蓋連有水冷管道，限制了上蓋移動范圍；上蓋右側(cè)通過轉(zhuǎn)軸與真空室上平面相連，同時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，詳情見下圖。
后來發(fā)現(xiàn)打開上蓋，彈力桿的彈力變得很小，這時方便拆裝彈力桿；松開兩塊檔板后露出兩個螺釘，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。啟動設(shè)備確認故障已修好。
半導(dǎo)體真空設(shè)備零部件與檢漏方法
● 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。真空檢漏的難點是要重視操作的細節(jié)部分，要有耐心。此外，選擇國產(chǎn)高真空計時要留有余地，否則將無法顯示期望的高真空度。 |