IC装备真空腔室的气密性检测试验及分析

周玉林，杨铁牛



IC装备真空腔室的气密性检测试验及分析

周玉林，杨铁牛

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

腔室气密性是影响集成电路（IC）装备真空腔室内流场均匀性的重要因素，腔室漏率数量级不高于、极限真空度数量级不高于，才能满足IC工艺的漏率要求. 本文用氦质谱检漏仪检测真空腔室泄漏情况，并将泄漏处逐一进行堵漏处理，使腔室气密性能达到IC装备的工艺要求. 用静态升压法计算得出腔室漏率为，极限真空度为，考虑用于实际生产的工艺腔室体积小，而本实验腔室体积较大，所以搭建的真空室可以满足IC装备的漏率要求.

真空腔室；氦质谱检漏仪；静态升压法；漏率

真空设备在电子产品如电子管、晶体管、半导体集成电路的生产与封装中应用广泛，真空腔室的漏气程度会影响腔室压力的测量和腔室内流场的均匀性. 系统漏率和极限压力是衡量真空系统气密性好坏的重要标志. 常用的气密性检测方法有气泡法、涂抹法、化学气体示踪检漏法（例如氦质谱仪、卤素检测仪、激光检测仪等）、压力变化法、流量法、超声波法等[1].

氦质谱检漏技术具有无毒、准确的特点，在真空检漏中使用广泛. 张红军等[2]使用氦质谱检漏技术对真空绝热深冷压力容器进行检漏；王建等[3]使用了氦质谱检漏仪对汽轮机真空系统进行检漏；韩鹏等[4]使用氦质谱检漏技术对ITER导体真空系统进行检漏.

在IC装备真空腔室中，基片附近流场的均匀性是影响成膜的关键因素，工艺腔室的设计过程中，如何提高基片附近流场的均匀性是IC产业技术进步的一个主要问题[5]. 本文主要研究真空系统的检漏过程、气密性对腔室内流场均匀性的影响及腔室的漏率.

1 试验装置

真空腔室的检漏系统主要包括抽气系统和检漏系统. 如图1所示，真空系统由上盖、腔体、支撑底板、观察窗、承载台、焊接法兰口等部件组成；腔室内径，高度，体积，全部采用304不锈钢制造. 本实验平台选用的是Edwards公司的罗茨泵GV80（泵3）和分子泵nEXT300（泵4），罗茨泵是干泵的一种，其优点是工作环境干净，没有油污. 由于实验平台的腔室不是很大，所以GV80罗茨泵可作为粗抽泵也可作为分子泵的前级泵. GV80罗茨泵的最大抽速可达，分子泵nEXT300的最大抽速为. 在腔室的法兰口上连接了一台皖仪SFJ-211氦质谱检漏仪，该检漏仪选用机械泵D16c（泵1）为前级泵，分子泵为Leybold TW70LS（泵2），最小检漏率为. 抽真空时只使用干泵作为分子泵的前级泵，气密性检查时关闭干泵和分子泵，在已获得的真空环境直接使用氦质谱检漏仪. 在真空腔室的腔壁上安装一只INFICON的贝阿德-阿尔珀特皮拉尼真空计（P1）BPG400来测量腔室内的压力，它的量程为到标准大气压. 在检漏仪的入口处安装了一只INFICON的皮拉尼PSG500（P2）来测量检漏口的压力，它的量程为到标准大气压；在排气口的管道上安装一只电阻规管（P3）测量分子泵排气口的真空值.

a.检漏连接图 b.检漏实物图

2 漏率对腔室流场均匀性的影响

为了探索真空腔室的漏率对腔室内压力测量的影响，设定不同气密性的腔室，漏率分别为和，往腔室内通入流量为的，在泵的抽速相同的条件下，当真空腔室的流场达到动态平衡时，利用同一只真空规管BPG400在腔室内的同一测量位置进行压力测量，LabVIEW自动采集到的压力数据制成压力随时间变化的曲线图，具体见图2.

漏率大；漏率小

由图2可知，当腔室的漏率较大时，所测得的压力值波动比较明显；同时，同位置处的压力值随时间变化更频繁. 因此要提高腔室内部气体流场的均匀性，必须提高真空系统的密封性、降低系统的漏率.

3 检漏

启动检漏仪之前应确保仪器已可靠接地. 将检漏口用专用堵头堵住，打开机箱后的电源，仪器开始启动. 完成启动后，设置检漏的技术参数，打开手动阀V8通过波纹管将检漏口与腔室连通. 打开泵组系统的电源，慢开阀V7对腔室粗抽气，当腔室压力达到几帕时，关闭阀V7. 打开阀V6，十几秒之后，启动分子泵，分子泵完全启动后再打开阀V5，对真空腔室精抽真空至腔室压力为，关闭阀V5，关闭分子泵，待分子泵完全停止后，关闭阀V6. 按下氦质谱检漏仪面板上的开始键，待检漏仪信号值相对稳定再对腔室进行检漏. 真空腔室的拆装部件与焊接部分（如真空腔室上的动密封处）是检漏的重点，次序为自上而下，从靠近检漏仪的部分开始，由近及远，用氦气喷枪逐一进行喷吹检漏. 若腔室有泄漏，氦气会被吸入检漏系统内部并迅速进入检漏仪，检漏仪仪表指示的读数将指示检测处的漏率大小，及时采取措施进行补漏，在相同条件下对上述部件再做一次最终检漏.

为便于分析和对比，根据查阅的相关文献，将实验测量数据与泄漏程度的关系按漏率范围进行分类[5]，具体如表1所示.

真空腔室检漏的重点部位包括：腔盖上焊接的进气口、腔体上焊接的KF16法兰及观察窗、腔体底板上焊接的大法兰及动密封、真空泵入门口及法兰、与直线驱动器相连的法兰处、与feedthrough相连的小法兰处等.

按照表1的分类方法，对各检测部位的测量数据进行归类. 本次试验被检测部位共29余处，对该真空腔室的轴封部位进行了变工况复测，最终发现小泄漏点1处、中漏点2处，具体泄漏位置和主要数据见表2.

表2 腔室泄漏点在处理前后的对照

为了达到所需的实验条件，有效改善真空腔室的真空状况，对表2中的主要漏点进行了更换铜垫圈堵漏等处理，经过多次处理并检测，结果见表2. 在真空腔室堵漏前后均对腔室进行抽极限真空，堵漏前其极限真空为，而堵漏后的极限真空为；结合表2数据可以看出堵漏处理后，真空腔室的气密性有了很大的提升.

4 系统漏率

使用氦质谱检漏仪对真空腔室各组件进行检漏后，还不能明确真空腔室的整体漏率. 根据具体情况，本次试验采用静态升压法测量腔室的漏率[6].

真空系统中漏气流量的平衡表示式如下[7]:

对于动态真空系统，只要真空系统的平衡压力能够达到工作所要求的真空度，即使系统存在有泄漏，也可以认为系统是不漏的. 对于静态真空系统来说，在一定的时间段内，系统内的压力能维持在工作所允许的真空度以下，同样也可认为系统是不漏的[4].

在完全密封所有接触面的情况下，对腔室抽真空使其内部压力低于外部大气压力. 考虑到材料放气的影响，对腔室进行抽极限真空和烘烤，最后关闭真空泵组. 采用静态升压法，对真空腔室的静压系统计算整体漏率[9]. 将真空腔室堵漏前、后分别抽至极限真空后，利用LabVIEW对真空腔室内压力进行自动数据采集. 将采集到的数据绘制成曲线，如图3所示.

图3 不同漏率下腔室的静态升压图

堵漏前，腔室内的压力沿着某条直线上升，说明该腔室还存在泄漏情况：当时，；时，. 堵漏后，腔室内压力上升的速度非常平缓，可认为不漏：当时，；时，.

工艺腔室的体积计算如下：

根据公式（4）计算得真空腔室堵漏前的漏率为

根据公式（4）计算得真空腔室堵漏后的漏率为

对氦质谱检漏仪检出的泄漏处进行堵漏处理后，真空腔室的漏率得到了明显的改善，计算得到的真空腔室堵漏后的整体漏率为. 考虑到实验腔室体积较实际生产工艺腔室体积大，因此本文所搭建的真空室满足IC装备的腔室漏率要求.

5 结论

通过氦质谱检漏仪对IC装备真空系统进行检漏，能快速准确地找到真空系统的泄漏部位，并能及时地对泄漏部位进行堵漏处理，使腔室漏率达到IC工艺漏率要求，对后续研究真空腔室内的热流场具有实际意义. 氦质谱检漏技术对于真空腔室的检漏实用性强，可在腔室泵组不停机的情况下进行多处检漏，且灵敏度高. 静压升压法只能估算真空系统的整体漏率，如何快速精确地测出真空系统的漏率是需要继续研究的问题.

[1] 吴孝俭，闫荣鑫. 泄漏检测[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[2] 韩鹏，武玉，王小明，等. ITER导体总体气密性检测系统的真空抽气与漏率标定[J]. 真空，2013, 50(1): 48-51.

[3] 廖旭东，杨丹，冯晓，等. 大型真空系统氦检漏率的快速准确检测方法[J]. 真空，2012, 49(1): 22-25.

[4] 王建，甘智勇，张利，等. 氦质谱检漏仪在350 MW汽轮机真空系统检漏中的应用[J]. 价值工程，2013(1): 317-319.

[5] 张红军，候静. 真空-氦质谱检漏技术在真空绝热深冷压力容器制造中的应用[J]. 机械管理开发，2013(3): 92-93.

[6] 周社柱，平强. 真空设备检漏及探伤[J]. 真空，2013, 50(1): 52-57.

[7] 达道安. 真空设计手册[M]. 3版. 北京：国防工业出版社，2004.

[8] 黄道明. 复合材料构件真空气密性能的提升技术研究[J]. 真空科学与技术学报，2013, 33(8): 744-750.

[9] 徐飞云. 静态升压法在冷媒加注中的检漏分析[J]. 机械制造，2012(6): 56-59.

[责任编辑：熊玉涛]

Air Tightness Testing and Analysis of Vacuum Chambers of IC Equipment

ZHOUYu-lin, YANGTie-niu

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Chamber air tightness is an important factor affecting flow field uniformity of IC equipment. Only when the magnitude of chamber leakage rate is not higher thanand the ultimate vacuum degree is not higher thancan the tightness meet the leakage rate requirements of IC process. In this study, helium mass spectrometer is used to detect vacuum chamber leakage, and leaking points are treated one by one using plugging processing to enable chamber air-tightness to meet the process requirements of IC equipment. The chamber leakage obtained through calculation using the static pressurizing method isand the ultimate vacuum degree is. Considering the small volumeof the actual production process chamber and the relatively large volume of the experimental chamber, the vacuum chambers established can meet the IC equipment leak rate requirements.

vacuum chambers; helium mass spectrometer; static pressurizing method; leakage rates

1006-7302（2015）01-0059-05

TB774

A

2014-10-10

国家科技重大专项资助项目（2011ZX02403-004）

周玉林（1991—），男，湖南祁阳人，在读硕士生，研究方向为真空测量、仿真计算；杨铁牛，教授，博士，硕士生导师，通信作者，研究方向为CAD、CAM、CAE，真空设备研究，塑料机械设备研究.