以GM制冷機為核心部件的低溫泵是一種超高真空獲得設備，憑借其自身的特點與優勢，已廣泛應用于集成電路制造工藝與設備中。近年來，中國集成電路制造裝備及成套工藝快速發展，作為重要零部件的低溫泵需求量也隨之增大。本文介紹了國內集成電路制造中進口低溫泵產品的技術發展現狀，并對比了不同產品的技術特點。闡述了國產低溫泵進軍集成電路制造業的歷程與現狀。

1、引言

　　集成電路(Integrated Circuit, IC)是指將各式電路微縮在芯片之內，包含了模擬電路、數字電路及混合信號電路等[1]。集成電路制造一般包括硅片的制造、晶圓的制備及元器件的封裝電測[2]。常用的半導體集成電路制造方法有化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、濺射。離子注入是現代先進的摻雜技術，摻雜離子在高電場和磁場作用下加速到較高的能量，然后注入半導體內部[3]。

　　如今，微芯片制造中大約有四分之一的工藝是在真空或低壓中進行的，其中包括光刻曝光、剝離和刻蝕系統、離子注入、濺射工藝、LPCVD、PECVD和快速熱處理等。真空反應室需提供沒有污染氣體的工藝條件[4]。

　　集成電路制造工藝過程中產生的玷污有來自晶圓除氣的氮氣和來自光刻膠掩蔽層釋放的氫氣。低溫泵是捕獲型的真空泵，采用極低溫將工藝氣體凍結或吸附在泵內部，符合集成電路制造對清潔無油、大抽速、低振動的高真空設備的需求。同時低溫泵具有優良的穩定性，低故障率，可長期連續運行[5]。

2、低溫泵工作原理

　　低溫泵是通過低溫冷凝和低溫吸附來抽除氣體的真空泵，又稱冷凝泵。低溫泵的核心是低溫制冷機，常用的制冷機有G-M循環制冷機、索爾文循環制冷機、斯特林循環制冷機、布雷頓循環制冷機等。由于G-M制冷機工作壽命長，常用作小型制冷機低溫泵的冷源[6]。

　　制冷機低溫泵與其它高真空獲得設備相比其對空氣、水蒸氣、氮氣、氬氣、氫氣抽氣速率大；可獲得的極限真空度高并且清潔無油；真空中無任何運動部件，具有高穩定性。

　　低溫泵在連續工作一定時間后，冷表面的沉積層變厚，吸附陣趨于飽和，抽速下降，抽氣容量接近最大值。此時需要停機后對一、二級冷板進行加熱，同時輔助通入干燥熱氮氣來釋放所冷凝與吸附的氣體，通過前級機械泵將低溫泵釋放的氣體抽除，使低溫泵再次恢復到最佳抽氣狀態，重新進行抽氣作業，這一過程就稱為低溫泵的再生[7]。

　　以PVD機臺常用的8英寸口徑低溫泵為例，圖1給出了低溫泵結構剖面圖。一級冷板也稱為80 K冷傘，用于保護低溫板免受真空室的熱輻射[8]。制冷機一級冷頭通常工作在50 K~80K，用來冷卻一級冷板與防輻射屏。二級冷板內表面粘有活性炭，用來冷凝和吸附氣體。制冷機二級冷頭通常工作在10 K左右，用來冷卻二級冷板。控制箱體內部包含有制冷機電機與控制器電路板。

圖1 低溫泵結構圖

　　1-泵殼；2-二級冷板；3-二級加熱器；4-二級溫度傳感器；5-安裝法蘭；6-一級冷板；7-防輻射屏；8-一級溫度傳感器；9-粗抽閥；10-一級加熱器；11-氦氣進；12-控制箱體；13-遠程監控接口；14-電源接口；15-手操器接口；16-氦氣出；17-真空計；18-航空芯座；19-吹掃閥；

　　低溫泵控制器可獲得泵運行溫度、真空度等系統狀態；可完成自動再生控制，縮短停機再生時間；具有組網與遠程監控接口，實現泵組間協同工作與接入主控制系統，提高設備集成度。

3、國外低溫泵產品發展現狀

　　目前，國內集成電路制造用低溫泵產品仍由歐、美、日廠商所壟斷，口徑覆蓋200mm到400mm。市場主要被CTI與住友的低溫泵產品所占有。

　　3.1 CTI低溫泵產品發展現狀

　　CTI Cryogenics是世界上設計制造低溫泵較早的企業，也是全球低溫泵一流的供應商。2018年Atlas Copco集團收購了Brooks Automationg公司的低溫泵業務，并將此業務置于集團旗下的Edwards子公司，低溫泵產品也正式更名為EDWARDS CTI-CRYOGENICS。

　　3.1.1 CTI On-Board系列低溫泵

　　上世紀八十年代，CTI推出了第一代On-Board系列低溫泵，口徑主要有100mm、200mm、250mm、290mm、300mm和400mm。具有以下特點：快速再生與泵組協同控制，縮短了停機再生時間以提高生產效率；具有穩定的真空性能，以適應變化的工藝條件；具有本地與遠程監控，支持預測性維護。圖2為On-Board低溫泵系統組成結構。

圖2 CTI On-Board低溫泵系統組成

　　集成電路PVD機臺與濺射工藝常使用200mm口徑低溫泵，且工藝腔與傳輸腔至少各配置一臺。表1給出了On-Board 8F(200mm)口徑低溫泵的技術參數[9]。CTI全系列低溫泵集成的硬件均具有：手操器，粗抽閥，吹掃閥，安全閥，真空規，一、二級冷板溫度傳感器，一、二級冷板加熱器，信號輸出繼電器，RS-232通訊接口。

　　3.1.2 CTI On-Board IS系列低溫泵

　　進入新世紀CTI推出了第二代On-Board IS系列低溫泵。這一代低溫泵最大的特點是氦氣供回氣壓力提高到400/200 psi，增加了制冷量與系統效率；泵控制器采用了單獨供電，不再受從氦壓縮機取電的限制；冷頭電機采用了調速控制，有效的縮短了泵的降溫時間。On-Board IS 8F低溫泵的完全再生時間小于90分鐘，快速再生時間小于35分鐘[10]，均優于On-Board 8F低溫泵。得益于氦壓縮機技術的提升，從之前的1臺氦壓縮機可同時供給3臺On-Board 8F低溫泵，提高到1臺氦壓縮機可同時供給5臺On-Board IS 8F低溫泵。圖3為 On-Board IS低溫泵系統組成結構。

圖3 CTI On-Board IS低溫泵系統組成

　　為滿足離子注入工藝不斷提升的需求，CTI先后推出了On-Board IS 250F、On-Board IS 250FE、On-Board IS 320F、On-Board IS 320FE、On-Board IS 320FX型號的低溫泵。表2給出了不同型號低溫泵的技術參數。由表可知，CTI低溫泵對于氫氣的抽速與容量不斷提升，以滿足工藝需求。

　　3.1.3 CTI On-Board IS XP低溫泵

　　On-Board IS XP低溫泵是CTI推出的最新型低溫泵。On-Board IS XP低溫泵為PVD應用維持工藝潔凈的同時提供更大容量從而實現最大產能。On-Board IS XP低溫泵可增加鋁、氮化鈦、鈦和其它濺射應用工藝等過程的混合氣體容量。與現有的On-Board IS低溫泵相比氬氣的抽氣容量提高了50%，氮氣的抽氣容量提高了25%。6臺低溫泵共用一個氦壓縮機使系統效率最大化。采用與On-Board IS低溫泵相同的智能系統控件、制冷和壓縮機技術、電子裝置和軟件，甚至，擁有與所有On-Board IS產品相同的物理接口。表3給出了On-Board IS 8F與On-Board IS 8F XP低溫泵性能參數(泵口處加防濺射板)的對比。

　　3.2 住友低溫泵發展現狀

　　住友低溫泵起步較晚，但發展非常之迅速，獲得了多項專利技術，并針對集成電路應用進行了多次技術改進，其最新型低溫泵在國內集成電路行業對CTI產品已造成一定的競爭壓力。

　　3.2.1 Marathon CP 系列低溫泵

　　Marathon CP系列是住友第一代低溫泵產品，可應用于半導體器件制造、平板顯示器制造、太陽能制造以及各種涂層和熱真空系統。此系列低溫泵產品的控制器屬于選配部件。表4給出了CP-8LP(200mm)與CP-12(320mm)低溫泵的性能參數[11]。

　　3.2.2 SICERA低溫泵

　　SICERA是住友最新型低溫泵，使用了其專有的逆變器技術，降低了20%~30%的能源成本，從而節省了客戶使用開銷并提高了生產效率，非常適合于半導體晶圓、平板顯示器及其它半導體相關產品的生產。圖4為其具有專利技術的逆變系統構成。此專利使用了冷頭與氦壓縮機的雙調速技術：低溫泵一級冷板溫度由制冷機電機轉速控制，從而取消了加熱器部件；根據低溫泵使用工況，通過控制氦壓縮泵電機轉速來維持恒定的供氣壓差，達到節能目的。

圖4 住友低溫泵逆變系統組成

　　SICERA低溫泵標配減壓閥、安全閥、粗抽閥、吹掃閥等部件，同樣具有泵頭集成的控制器，可完成低溫泵自動再生等操作。表5給出了KZ-8L3C(200mm)PVD專用低溫泵與KZ-320L3SH(320mm)離子注入專用低溫泵的技術參數[12]。

　　3.3 CTI與住友低溫泵組網差異

　　CTI與住友低溫泵產品均可以使用多臺泵組網，構成低溫泵組，實現集中與協同控制。CTI On-Board IS低溫泵組使用菊花鏈式組網模式，采用RS-232C通訊標準。住友SICERA低溫泵組使用并行組網模式，采用RS-485通訊標準。通訊控制器與工控機間均采用RS-232C通訊標準。圖5給出了兩種組網模式的框圖。

圖5 CTI與住友低溫泵組網模式

4、國產低溫泵集成電路行業應用現狀

　　國產低溫泵的發展已有10多年的歷史，國內也誕生了多家可以自主設計、生產低溫泵的企業。國產不同口徑、用途的低溫泵已在多個行業得到應用。800mm以上口徑低溫泵多用在大型空間環境模擬系統[13]、科研院所大科學工程等領域[14]。中小口徑低溫泵多應用于半導體制造、高真空工業系統等行業[15]。特種低溫泵應用于對抽速、被抽氣體有特殊要求的場合[16]。

　　2014年國務院發布了《國家集成電路產業發展推進綱要》，近年來，國家為了促進集成電路產業發展先后出臺了[2000]18號文件、[2011]4號文件，實施了“國家科技重大專項”。在市場拉動和政策支持下，我國集成電路的技術實力顯著增強：系統級芯片設計能力與國際先進水平的差距逐步縮小；集成電路封裝技術接近國際先進水平；部分關鍵設備和材料實現從無到有，離子注入機、刻蝕機、濺射靶材等進入8英寸或12英寸生產線，同時也涌現出一批具備一定國際競爭力的骨干企業[13]。

　　國內成熟的可生產集成電路制造用低溫泵的企業主要以浙江博開機電科技有限公司與安徽萬瑞冷電科技有限公司為代表。博開機電公司的產品主要應用于真空鍍膜、平板顯示器件制造等行業。其產品的主要特點是使用分離式的低溫泵控制器，在強磁場、高射頻環境中有一定優勢。使用外部加熱毯完成再生加熱功能，升溫時間稍長。

　　安徽萬瑞冷電科技有限公司作為“02重大專項”(極大規模集成電路制造裝備及成套工藝)子課題(超高真空冷泵研發及產業化)的研制單位，在總體單位北方華創的帶領下，依托于其10余年研制、生產低溫泵的技術基礎，開發出適合于PVD、CVD、CAD下載、離子注入機臺所用的ICP200、ICP250、ICP320和ICP400型低溫泵。

　　萬瑞冷電公司的低溫泵產品內部結構與其它低溫泵產品類似，但其對于冷傘、吸附陣等關鍵部件進行了優化設計，更符合集成電路制造對低溫泵抽速與抽氣容量的苛刻要求。表6給出了ICP250與ICP320低溫泵的主要技術參數。

　　ICP系列低溫泵具有集成式的控制器，其強大的功能可以保證低溫泵實現高效的運行控制與再生流程，便捷的組網與通訊。ICP系列低溫泵通訊協議、機械安裝接口、使用方式、維保周期均與進口低溫泵相一致，可實現完全無縫替換。

5、低溫泵發展趨勢

　　隨著集成電路制造技術的不斷發展，現有的低溫泵產品性能在抽速、恢復時間、抽氣容量、再生周期、能耗等方面已經不能完全滿足新工藝、新技術的需求。目前一臺氦壓縮機可供給6臺200mm口徑低溫泵使用，通過引入氦氣管理技術不僅可進一步提高氦壓縮機的輸氣量，還能根據負荷變化高效的配置各低溫泵對于氦氣的使用[18]。集成電路制造機臺對于氫氣、氬氣的抽速與抽氣容量的要求越來越高，因此大抽速、大容量的低溫泵不但能滿足半導體制造技術的發展需要，而且可延長再生周期，提高生產效率[19]。通過引入氦壓縮機與冷頭雙變頻的技術，可極大的縮短低溫泵降溫時間，而且低溫泵一級冷板控溫用加熱器也不是必須的了[20]。低溫泵控制器向著集成度、智能化、網絡化更高的方向發展，優化的控制算法使其可滿足不同工況與應用環境。

6、結束語

　　國外低溫泵經過幾十年的發展，目前迎來了技術革新期，進一步滿足集成電路制造業更高的要求。國內低溫泵產品的綜合性能與國外產品相比還有一定差距，因此，需要不斷的投入研發并緊跟技術發展方向，才能實現集成電路裝備零部件的完全國產化。

參考文獻

　　[1] 張汝金等編著.納米集成電路制造工藝[M].北京:清華大學出版社，2014:1~2.

　　[2] 張淵主編.半導體制造工藝[M].北京:機械工業出版社，2010:11~12.

　　[3] [美]施敏,梅凱瑞著.陳軍寧,柯導明,孟堅譯.半導體制造工藝基礎[M].合肥:安徽大學出版社，2007:13.

　　[4] [美]Zant,P.V.著. 韓鄭生譯.半導體工藝制程實用教程(第六版)[M].北京:電子工業出版社，2015:254.

　　[5] 劉豪,張強,趙志昊等.半導體設備真空泵常見故障分析及維修[J].設備管理與維修，2020:4

　　[6] 高香院.現代低溫泵[M].西安:西安交通大學出版社，1990:263.

　　[7] 馮欣宇,鄧家良,曾環等.制冷機低溫泵控制器設計[J].低溫與超導，2019,47(7):24~25.

　　[8] 曾環,鄧家良,孫志和.250mm口徑低溫泵設計[J].真空，2020,57(2):13~16.

　　[9] On-Board Cryopump Installation and Maintenance Manual. Part No.8040491.Brooks Automation Inc, 2013.

　　[10] Brooks-Cryogenics On-Board IS Cryopump Installation Manual. Part No.8040596.Brooks Automation Inc, 2013.

　　[11] Cryopump Product Catalogue. Sumitomo Heavy Industries, Ltd. 2012.

　　[12] SICERA CRYOPUMP. Sumitomo Heavy Industries, Ltd. 2012.

　　[13] 趙月帥,孫立臣,邵容平等.DN1250液氮屏蔽型制冷機低溫泵的研制與性能測試[J].真空，2019,56(1):1~5.

　　[14] 李長春,朱小榮,蒙峻等.HIRFL-800低溫泵快速再生系統研究[J].真空科學與技術學報，2018,38(6):450~454.

　　[15] 盧少波,王承章,張吉峰.低溫泵在超高真空爐中的應用實例[J]. 真空科學與技術學報，2017,37(2):28~32.

　　[16] 柏樹,楊建斌,顏昌林等.大口徑抽氙氣低溫泵的研制[C].中國真空學會2014學術年會論文集，2014.

　　[17] 艾恩溪.解讀集成電路產業發展推進綱要暢談發展大計[J].集成電路應用，2014(12):4~5.

　　[18] Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryopump: US 20170198684 A1. Jul 13, 2017

　　[19] Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryopump, cryopumped gas amount estimation device, and cryopumped gas amount estimation method: US 20170276129 A1. Sep 28, 2017.

　　[20] Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryopump and method of operating the cryopump: US 20170145998 A1. May 25, 2017.

　　原文首發于《真空》雜志2022年第2期