半導體設備真空與檢漏
基于實際應用, 介紹了半導體設備真空結構和真空室常用部件, 講述了He 質譜檢漏儀的使用方法。總結了真空檢漏的經驗, 闡述了微漏難檢的現狀。分析了磁控濺射臺和ICP 真空故障, 采用靜壓檢漏法和He 質譜檢漏儀檢漏法, 給出了零部件微漏導致這些設備抽不上高真空的結論。指出今后的發展方向是真空部件小型化, 以及根據設備特點來提高真空部件的可靠性。結果表明, 先排除干擾因素, 再細心檢漏, 可大大提高檢漏效率, 使設備盡快恢復正常。
引言
許多半導體設備要求高真空, 比如磁控濺射臺、電子束蒸發臺、ICP、PECVD 等設備。在高真空環境下, 潔凈度高、水蒸氣很少。一些半導體設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, 設備能及時抽走未反應氣體和氣態反應產物, 保證工藝人員的安全。但是隨著生產設備數量的增加, 以及新工藝對設備要求的提高, 真空故障隨之增加。
1、真空泵
半導體設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。擴散泵已經很少使用。旋片真空泵可以接上N2 氣鎮, 防止被抽氣體在泵油中凝結; 接過濾器, 過濾泵油中的雜質; 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的葉片和靜止葉片一起將氣體抽走來產生高真空。冷泵是通過在泵內冷頭上產生11 K 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、磁控管規和反磁控管規三種。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, 結構簡單, 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,會發熱; 冷陰極電離真空計屬于高真空計, 不發熱, 易維修; 全量程真空計自動量程切換, 使用方便。
現在的大多數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。大多數探測頭使用金屬材質而不是玻璃材質,這樣更結實小巧。真空計顯示控制器也要求小型化, 有的做到了體積為105 mm × 110 mm × 250 mm,質量為1.3 kg, 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, 但是一旦出現問題, 維修起來很麻煩, 需要使用專用的激光焊接機, 旋轉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[5 ×10- 10 Pa.m3/ s。
3、He 質譜檢漏儀的使用
半導體設備真空系統出現故障一般分為兩類:一是真空泵組及測量系統的故障, 另一個是真空系統的泄漏。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。在對半導體設備檢漏時常使用兩種方法: 靜壓檢漏法和He 質譜檢漏法。靜壓檢漏法就是用閥門將真空室與真空泵組隔開, 測量其內部壓強的變化。He 質譜檢漏法要復雜一些。
He 質譜檢漏儀一般需要拿到現場去, 檢漏儀內有分子泵, 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, 因此常常需要設備自己抽好真空。真空抽到0.5~ 10 Pa就行。等到漏率顯示穩定或由穩定轉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。真空抽到后應該關上門閥和粗抽閥, 以免分流導致漏率測量值小于實際值。最好停掉設備上的分子泵和機械泵, 從而避免它們的干擾; 有冷泵的設備要想檢漏徹底應該停掉冷泵。用真空法檢測雙密封結構產品漏率時, 常有漏率/ 緩慢升高的現象發生, 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, 發現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、物理淀積設備檢漏
物理淀積設備有磁控濺射臺和電子束蒸發臺等設備。現在以磁控濺射臺為例進行說明。如圖1 所示, 該設備正常時2 h真空能抽到8 × 10- 5 Pa。關上門閥不抽真空室, 14 h后真空室壓強升到5 Pa。出現故障后, 2 h只能抽到3 × 10- 4 Pa。關上門閥不抽真空室, 14 h后真空室壓強升到1.4 × 102 Pa, 并且對產品質量造成影響。
圖1 濺射臺真空結構
首先對該設備進行靜壓檢漏。等真空室抽到9 × 10- 4 Pa后, 進行3 min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0.3 m3。該設備電容真空計和全量程真空計讀數偏差不大, 兩個真空計同時出現故障的概率很小。因此首先考慮設備漏。用He 檢漏儀進行檢漏, 發現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, 發現漏率達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, 發現它的密封圈臟, 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, 發現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。重新啟動設備和冷泵, 確認設備真空已經恢復正常。現在等真空室抽到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、化學淀積和刻蝕設備檢漏
這類設備有PECVD, RIE, ICP 等。常涉及到特殊氣體和特殊反應物, 其真空室比較小, 常使用分子泵抽高真空。現以某ICP 為例進行說明, 真空結構如圖2, 圖2 真空室約30 L。出現故障后, 做3 min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, 發現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, 檢漏發現該處已恢復正常。但是啟動設備進行靜壓檢漏時發現真空室壓強上升率為1 Pa/ min, 仍然大于允許值。繼續檢漏, 停了分子泵, 沒有停干泵, 發現門封漏率達1.4 × 10- 8 Pa.m3/ s。停了干泵, 真空室壓強由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, 發現門閥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, 沒有發現新的問題。
圖2 ICP 真空結構
最后維修門封處的漏點。換門封密封圈, 漏率未見好轉。仔細檢查門封處的結構, 發現上蓋有一個螺釘向下突出, 導致門封密封不好。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; 上蓋右側通過轉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, 導致拆卸安裝困難, 詳情見圖3。后來發現打開上蓋, 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, 門封恢復正常。啟動設備確認故障已修好。
圖3 ICP 真空室
6、結語
半導體設備真空部分有許多部件, 如果一個部件漏率較大, 很容易導致高真空抽不上去。半導體設備的真空疑難故障大多是微漏導致高真空抽不上。真空檢漏的難點是要重視操作的細節部分, 要有耐心。此外, 選擇國產高真空計時要留有余地,否則將無法顯示期望的高真空度。
