半导体专用设备的真空系统维修

殷履文，刁振国，王振亚

(中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏南京 210016)

现在真空设备在半导体行业中的应用愈来愈广泛，例如真空镀膜类设备（蒸发，溅射），干法类设备（ICP，RIE，PECVD），材料生长类设备（MBE，MOCVD，LPCVD），热处理设备（合金炉，退火炉），掺杂类设备（离子注入机等）这些真空设备作为半导体技术发展不可或缺的条件必将起到越来越重要的作用。

任何真空设备，经过一定时间的抽气之后仍然达不到所要求的真空度（本底真空），可能是由于真空获得、真空测量和真空检漏这三个主要原因引起。真空获得是真空设备正常运行的基础，真空获得设备(真空泵组)的性能好坏直接影响真空设备极限真空度，只有在设备具备了一定的真空度之后才能谈到下面的真空测量和真空检漏。真空测量是我们检测真空设备是否正常运行的手段，通过真空计直接反映设备真空运行状态。真空检漏是保证真空设备正常运行的前提。维修真空设备的重点是要能准确判断故障，找到起主导作用的因素，从而采取相应的措施。

1 真空获得

各类真空泵即是真空获得的设备，是用来产生和维持真空的装置。利用真空泵把一特定容器内的气体抽走，使该容器中的压强低于一个大气压，这就是真空获得。由于稀薄气体分子在不同压强范围内气体分子运动特性不同，所以较宽量程压力范围内不可能用一种真空泵来获得。真空泵性能参数见表1。

表1 真空泵性能参数表

如表1所述，由于不同类型真空泵的工作原理不同，而各有其特点和工作范围。比如有些泵可直接从大气开始工作，有些泵则必须借助前级泵才能工作。下面列举常用真空泵的应用特点：

1.1 旋片真空泵

旋片真空泵又称机械真空泵属于低真空泵类。它具有从大气直接排气的特性，既可以单独使用，也可作为高真空泵或超高真空泵的前级泵。旋片泵的工作原理是基于变容作用，用油来保持运动部件之间密封，靠机械的方法来密封腔体容积，使容积周期性增大、缩小，从而达到排气的目的。所以旋片泵极限真空度下降，会出现噪声大，卡死等现象，它与油的质量和机械转动有关。

1.2 分子泵

涡轮分子泵是半导体工艺中常用的高真空泵，适用于要求清洁的高真空和超高真空的半导体设备，例如在各类干法设备中世界各主流厂商（STS，ULVAC，OXFORD等）的真空泵组配置基本都是干泵＋分子泵，分子泵是靠高速转子携代气体分子获得超高真空的一种机械式真空泵，工作压力范围为1×10-1～1×10-8Pa，它具有抽速较大，抽速范围宽的特点，但它不能直接对大气排气，需要配置前级泵、由于分子泵属于分子动能泵在大气压下启动分子泵，分子密度过大泵工作要发热损坏。

1.3 油扩散泵

油扩散泵的主要特点是在高真空下，对各种气体都有很高的抽速，使用维护都很方便，无机械运动，不易损坏，但相比于其它高真空泵它的缺点是有油蒸汽，容易污染真空设备腔体。油扩散泵是一种蒸气流泵，其工作原理利用蒸流的作用来将低密度气体压缩为较高密度使其达到机械泵能够作用气体压强范围被抽走。由于油分子量是空气分子量15～20倍，油分子能比空气大一个数量级，泵油在加热情况形成每秒200 m定向运动的蒸气流是油扩散泵的关键。由此看来，扩散泵若要正常工作应满足以下条件：

（1）扩散泵在加热时必须有足够大的蒸气压，而在冷却后要有足够低的蒸气压。

(2)一定要有前级泵才能工作，因只有油蒸气流密度远大于空气密度时才能形成高速气流。

(3)要有足够的加热功率，使油锅内油迅速蒸发，通过喷嘴形成定向射流。

(4)要有足够的冷却能力，使油蒸气碰到泵壁时能很快地冷凝为液体返回油锅，否则冷却不够产生反扩散，降低真空度。

1.4 低温冷凝泵

冷泵是利用吸附材料（活性炭，分子筛等）在低温下吸附真空设备中的气体的原理进行工作的。相比于油扩散泵，冷泵的优点在于由于不含油蒸汽，可以得到极为洁净的真空，而且由于冷面尺寸不受限制，可得到很大的抽气速率，因此在各类镀膜类和材料生长类设备中得到了广泛应用。

图1所示为闭循环小型制冷机低温泵。它由低温泵，压缩机和膨胀机等部分组成。制冷介质氦气由压缩机压缩，经进气管到膨胀机。这时进气阀门打开，膨胀机活塞在专用电机带动下向上运动，使膨胀机下腔充满高压气体。当活塞到达上部顶端时，关闭进气阀，同时打开排气阀，使膨胀机与低压端相通，气体膨胀制冷，活塞向下移动把冷量贮存在活塞内的蓄冷器中。如此多次循环，便在一，二级冷头处分别获得低于80 K和20 K的低温和所需的制冷功率，并使气体在低温伞上凝结，在活性炭上被吸附。

图1 闭循环小型制冷机低温泵

2 真空测量

真空测量是指用特定的仪器，对某一真空设备空间内真空度高低来进行测量。因此真空测量仪表好坏直接影响设备正常运行。真空计的种类很多，大体上可分绝对真空计和相对真空计两大类。凡通过测定物理参数直接计出气体压强的真空计称为绝对真空计。通过测量与压强有关物理量，并进行计算得到压强值的真空计称为相对真空计。绝对真空计精度较高，一般作为标准用，在实际生产中，大都使用相对真空计。

近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数级(1×105～1×10-14Pa)，没有任何一种真空计能测量如此宽的压力范围，因此总是用几种真空计分别测量一定的区域。在实际工作中，如何根据真空设备的要求选用合适的真空计，应按以下几个原则选用：

（1）量程要求。所用真空计的测量范围应比被测压力范围宽1～2数量级。

（2）精度要求。若选用的真空计测出来的数据误差超出了工艺的要求，产品质量就会受影响

（3）信号的接受。真空计将真空压力转换成电信号后，可有两种形式被系统接受即数字信号和模拟信号，需根据系统的要求来选择。

（4）使用的环境。所测真空环境有无辐射，有无腐蚀，污染是否严重等等都需要考虑。

（5）价格的因素。真空计价格是否适宜以及该计是否易于维护等。

3 真空检漏

真空检漏是真空获得的保证，它是检测真空系统的漏气部位及其大小的过程。漏气是影响真空获得和真空维持的主要因素之一。

由于漏孔存在会抵消真空泵部分抽气作用，延长抽气时间，降低真空设备的极限真空。即使在动态情况下能够达到较高真空度，待与真空抽气系统连接阀门关闭，静态内部压力会迅速上升，严重影响设备的工作特性及寿命。

真空系统漏气是绝对的，不漏气是相对的，对于动态真空系统，只要其平衡压力能够达到所要求的真空度，这时即使存在着漏孔，也可以视为该系统的漏率是容许的，动态真空系统的最大容许漏率Q应满足式（1）：

式中：P为系统工作压力；S为系统的有效抽速。

对于静态真空系统，要求在一定时间内，其压力维持在容许的压力以内，这时即使存在着漏孔，同样可以认为该系统的漏率是容许的，静态真空系统最大容许漏率Qmax应满足式（2）：

式中：P为系统工作压力；Pt为系统极限压；V系统容积；t为时间。

检测漏点：真空设备维修比较头疼的问题是检测漏率。真空泄露分为内漏和外漏，外漏比较好检测，内漏则相对困难些。外漏可以利用在高真空状态下电离管对某些气体反应敏感来检测，比如丙酮或酒精，用医用注射器向可疑的地方喷射丙酮或酒精，当喷到漏点时电离计的指针（读数）会有明显摆动。对于更加细小的漏点则可以借助检漏仪来检漏：例如现在最常用的氦质谱检漏仪，如图2所示。

氦质谱检漏仪是用氦气作为示漏气体的专门用于检漏的仪器，它具有性能稳定，灵敏度高（1×10-9～1×10-15（Pa·m3）/s）等特点。其组成部分包括：离子源分析器，收集器，冷阴极电离规组成的质谱室和真空抽气系统及电气部分。原理是通过向真空设备漏点喷射氦气，气体经过真空设备腔体进入检漏仪，在检漏仪电离室内，气体电离成正离子，在电场作用下形成离子束，并在加速电压作用下以一定得速度经过加速极的缝隙进入分析器，在均匀磁场的作用下，具有一定速度的离子将按圆形轨迹运动，其偏转半径可按式（3）计算：

图2 氦质谱检漏仪

式中：R为离子束偏转半径；B为均匀磁场的磁感应强度；U加速电压；me-1离子的质荷比

可见，当B和U为定值时，不同质荷比me-1的离子束偏转半径R不同。仪器的B和R是固定的，调节加速电压U就可以使氦离子束到达收集器，形成离子流。通过测量离子流的大小就可计算出真空设备的漏率。

内漏多发生在有水冷套的设备上，查找外漏没有发现疑点，但是却有：机械泵的抽速明显偏低，真空计读数低，机械泵油很快乳化，真空腔体内的铁基部件有锈蚀痕迹，则基本可以确定有内漏。

4 结 论

半导体真空设备普遍存在自动化程度高，过程控制复杂等特点。当这些真空设备出现故障，我们的经验是不要急于下结论，不要急于拆卸设备，应认真分析故障现象，先用真空测量仪器大概判断出设备状态。然后对真空泵单独测试和整个真空机组进行检测，在确保真空获得无问题情况下。进行真空检漏，检漏根据设备实际情况，选用合适的检漏仪及检漏方式。先进行静态升压试验，判断漏气和放气。然后进行分段与整体检漏，找出漏点，并确定其漏率大小。 根据上述真空维修方法，理论和实践相结合，我们对各类半导体真空设备进行实践，成功解决设备故障，取得良好效果。

[1]张世伟.真空物理基础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真空技术术语[S].

[4]GB/T18193-2000真空技术质谱检漏仪校准[S].

[5]陈毅功.半导体设备维修工程实务[J].电子工业专用设备，2000，29(2):20-27.