IC裝備真空腔室的氣密性檢測(cè)試驗(yàn)及分析

周玉林，楊鐵牛

?

IC裝備真空腔室的氣密性檢測(cè)試驗(yàn)及分析

周玉林，楊鐵牛

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

腔室氣密性是影響集成電路（IC）裝備真空腔室內(nèi)流場(chǎng)均勻性的重要因素，腔室漏率數(shù)量級(jí)不高于、極限真空度數(shù)量級(jí)不高于，才能滿足IC工藝的漏率要求. 本文用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)真空腔室泄漏情況，并將泄漏處逐一進(jìn)行堵漏處理，使腔室氣密性能達(dá)到IC裝備的工藝要求. 用靜態(tài)升壓法計(jì)算得出腔室漏率為，極限真空度為，考慮用于實(shí)際生產(chǎn)的工藝腔室體積小，而本實(shí)驗(yàn)腔室體積較大，所以搭建的真空室可以滿足IC裝備的漏率要求.

真空腔室；氦質(zhì)譜檢漏儀；靜態(tài)升壓法；漏率

真空設(shè)備在電子產(chǎn)品如電子管、晶體管、半導(dǎo)體集成電路的生產(chǎn)與封裝中應(yīng)用廣泛，真空腔室的漏氣程度會(huì)影響腔室壓力的測(cè)量和腔室內(nèi)流場(chǎng)的均勻性. 系統(tǒng)漏率和極限壓力是衡量真空系統(tǒng)氣密性好壞的重要標(biāo)志. 常用的氣密性檢測(cè)方法有氣泡法、涂抹法、化學(xué)氣體示蹤檢漏法（例如氦質(zhì)譜儀、鹵素檢測(cè)儀、激光檢測(cè)儀等）、壓力變化法、流量法、超聲波法等[1].

氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)具有無(wú)毒、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在真空檢漏中使用廣泛. 張紅軍等[2]使用氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)對(duì)真空絕熱深冷壓力容器進(jìn)行檢漏；王建等[3]使用了氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)汽輪機(jī)真空系統(tǒng)進(jìn)行檢漏；韓鵬等[4]使用氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)對(duì)ITER導(dǎo)體真空系統(tǒng)進(jìn)行檢漏.

在IC裝備真空腔室中，基片附近流場(chǎng)的均勻性是影響成膜的關(guān)鍵因素，工藝腔室的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何提高基片附近流場(chǎng)的均勻性是IC產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)主要問(wèn)題[5]. 本文主要研究真空系統(tǒng)的檢漏過(guò)程、氣密性對(duì)腔室內(nèi)流場(chǎng)均勻性的影響及腔室的漏率.

1 試驗(yàn)裝置

真空腔室的檢漏系統(tǒng)主要包括抽氣系統(tǒng)和檢漏系統(tǒng). 如圖1所示，真空系統(tǒng)由上蓋、腔體、支撐底板、觀察窗、承載臺(tái)、焊接法蘭口等部件組成；腔室內(nèi)徑，高度，體積，全部采用304不銹鋼制造. 本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的是Edwards公司的羅茨泵GV80（泵3）和分子泵nEXT300（泵4），羅茨泵是干泵的一種，其優(yōu)點(diǎn)是工作環(huán)境干凈，沒(méi)有油污. 由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的腔室不是很大，所以GV80羅茨泵可作為粗抽泵也可作為分子泵的前級(jí)泵. GV80羅茨泵的最大抽速可達(dá)，分子泵nEXT300的最大抽速為. 在腔室的法蘭口上連接了一臺(tái)皖儀SFJ-211氦質(zhì)譜檢漏儀，該檢漏儀選用機(jī)械泵D16c（泵1）為前級(jí)泵，分子泵為L(zhǎng)eybold TW70LS（泵2），最小檢漏率為. 抽真空時(shí)只使用干泵作為分子泵的前級(jí)泵，氣密性檢查時(shí)關(guān)閉干泵和分子泵，在已獲得的真空環(huán)境直接使用氦質(zhì)譜檢漏儀. 在真空腔室的腔壁上安裝一只INFICON的貝阿德-阿爾珀特皮拉尼真空計(jì)（P1）BPG400來(lái)測(cè)量腔室內(nèi)的壓力，它的量程為到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓. 在檢漏儀的入口處安裝了一只INFICON的皮拉尼PSG500（P2）來(lái)測(cè)量檢漏口的壓力，它的量程為到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；在排氣口的管道上安裝一只電阻規(guī)管（P3）測(cè)量分子泵排氣口的真空值.

a.檢漏連接圖 b.檢漏實(shí)物圖

2 漏率對(duì)腔室流場(chǎng)均勻性的影響

為了探索真空腔室的漏率對(duì)腔室內(nèi)壓力測(cè)量的影響，設(shè)定不同氣密性的腔室，漏率分別為和，往腔室內(nèi)通入流量為的，在泵的抽速相同的條件下，當(dāng)真空腔室的流場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，利用同一只真空規(guī)管BPG400在腔室內(nèi)的同一測(cè)量位置進(jìn)行壓力測(cè)量，LabVIEW自動(dòng)采集到的壓力數(shù)據(jù)制成壓力隨時(shí)間變化的曲線圖，具體見(jiàn)圖2.

漏率大；漏率小

由圖2可知，當(dāng)腔室的漏率較大時(shí)，所測(cè)得的壓力值波動(dòng)比較明顯；同時(shí)，同位置處的壓力值隨時(shí)間變化更頻繁. 因此要提高腔室內(nèi)部氣體流場(chǎng)的均勻性，必須提高真空系統(tǒng)的密封性、降低系統(tǒng)的漏率.

3 檢漏

啟動(dòng)檢漏儀之前應(yīng)確保儀器已可靠接地. 將檢漏口用專(zhuān)用堵頭堵住，打開(kāi)機(jī)箱后的電源，儀器開(kāi)始啟動(dòng). 完成啟動(dòng)后，設(shè)置檢漏的技術(shù)參數(shù)，打開(kāi)手動(dòng)閥V8通過(guò)波紋管將檢漏口與腔室連通. 打開(kāi)泵組系統(tǒng)的電源，慢開(kāi)閥V7對(duì)腔室粗抽氣，當(dāng)腔室壓力達(dá)到幾帕?xí)r，關(guān)閉閥V7. 打開(kāi)閥V6，十幾秒之后，啟動(dòng)分子泵，分子泵完全啟動(dòng)后再打開(kāi)閥V5，對(duì)真空腔室精抽真空至腔室壓力為，關(guān)閉閥V5，關(guān)閉分子泵，待分子泵完全停止后，關(guān)閉閥V6. 按下氦質(zhì)譜檢漏儀面板上的開(kāi)始鍵，待檢漏儀信號(hào)值相對(duì)穩(wěn)定再對(duì)腔室進(jìn)行檢漏. 真空腔室的拆裝部件與焊接部分（如真空腔室上的動(dòng)密封處）是檢漏的重點(diǎn)，次序?yàn)樽陨隙?，從靠近檢漏儀的部分開(kāi)始，由近及遠(yuǎn)，用氦氣噴槍逐一進(jìn)行噴吹檢漏. 若腔室有泄漏，氦氣會(huì)被吸入檢漏系統(tǒng)內(nèi)部并迅速進(jìn)入檢漏儀，檢漏儀儀表指示的讀數(shù)將指示檢測(cè)處的漏率大小，及時(shí)采取措施進(jìn)行補(bǔ)漏，在相同條件下對(duì)上述部件再做一次最終檢漏.

為便于分析和對(duì)比，根據(jù)查閱的相關(guān)文獻(xiàn)，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與泄漏程度的關(guān)系按漏率范圍進(jìn)行分類(lèi)[5]，具體如表1所示.

真空腔室檢漏的重點(diǎn)部位包括：腔蓋上焊接的進(jìn)氣口、腔體上焊接的KF16法蘭及觀察窗、腔體底板上焊接的大法蘭及動(dòng)密封、真空泵入門(mén)口及法蘭、與直線驅(qū)動(dòng)器相連的法蘭處、與feedthrough相連的小法蘭處等.

按照表1的分類(lèi)方法，對(duì)各檢測(cè)部位的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi). 本次試驗(yàn)被檢測(cè)部位共29余處，對(duì)該真空腔室的軸封部位進(jìn)行了變工況復(fù)測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)小泄漏點(diǎn)1處、中漏點(diǎn)2處，具體泄漏位置和主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 腔室泄漏點(diǎn)在處理前后的對(duì)照

為了達(dá)到所需的實(shí)驗(yàn)條件，有效改善真空腔室的真空狀況，對(duì)表2中的主要漏點(diǎn)進(jìn)行了更換銅墊圈堵漏等處理，經(jīng)過(guò)多次處理并檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2. 在真空腔室堵漏前后均對(duì)腔室進(jìn)行抽極限真空，堵漏前其極限真空為，而堵漏后的極限真空為；結(jié)合表2數(shù)據(jù)可以看出堵漏處理后，真空腔室的氣密性有了很大的提升.

4 系統(tǒng)漏率

使用氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)真空腔室各組件進(jìn)行檢漏后，還不能明確真空腔室的整體漏率. 根據(jù)具體情況，本次試驗(yàn)采用靜態(tài)升壓法測(cè)量腔室的漏率[6].

真空系統(tǒng)中漏氣流量的平衡表示式如下[7]:

對(duì)于動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，只要真空系統(tǒng)的平衡壓力能夠達(dá)到工作所要求的真空度，即使系統(tǒng)存在有泄漏，也可以認(rèn)為系統(tǒng)是不漏的. 對(duì)于靜態(tài)真空系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在一定的時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)的壓力能維持在工作所允許的真空度以下，同樣也可認(rèn)為系統(tǒng)是不漏的[4].

在完全密封所有接觸面的情況下，對(duì)腔室抽真空使其內(nèi)部壓力低于外部大氣壓力. 考慮到材料放氣的影響，對(duì)腔室進(jìn)行抽極限真空和烘烤，最后關(guān)閉真空泵組. 采用靜態(tài)升壓法，對(duì)真空腔室的靜壓系統(tǒng)計(jì)算整體漏率[9]. 將真空腔室堵漏前、后分別抽至極限真空后，利用LabVIEW對(duì)真空腔室內(nèi)壓力進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集. 將采集到的數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖3所示.

圖3 不同漏率下腔室的靜態(tài)升壓圖

堵漏前，腔室內(nèi)的壓力沿著某條直線上升，說(shuō)明該腔室還存在泄漏情況：當(dāng)時(shí)，；時(shí)，. 堵漏后，腔室內(nèi)壓力上升的速度非常平緩，可認(rèn)為不漏：當(dāng)時(shí)，；時(shí)，.

工藝腔室的體積計(jì)算如下：

根據(jù)公式（4）計(jì)算得真空腔室堵漏前的漏率為

根據(jù)公式（4）計(jì)算得真空腔室堵漏后的漏率為

對(duì)氦質(zhì)譜檢漏儀檢出的泄漏處進(jìn)行堵漏處理后，真空腔室的漏率得到了明顯的改善，計(jì)算得到的真空腔室堵漏后的整體漏率為. 考慮到實(shí)驗(yàn)腔室體積較實(shí)際生產(chǎn)工藝腔室體積大，因此本文所搭建的真空室滿足IC裝備的腔室漏率要求.

5 結(jié)論

通過(guò)氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)IC裝備真空系統(tǒng)進(jìn)行檢漏，能快速準(zhǔn)確地找到真空系統(tǒng)的泄漏部位，并能及時(shí)地對(duì)泄漏部位進(jìn)行堵漏處理，使腔室漏率達(dá)到IC工藝漏率要求，對(duì)后續(xù)研究真空腔室內(nèi)的熱流場(chǎng)具有實(shí)際意義. 氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)對(duì)于真空腔室的檢漏實(shí)用性強(qiáng)，可在腔室泵組不停機(jī)的情況下進(jìn)行多處檢漏，且靈敏度高. 靜壓升壓法只能估算真空系統(tǒng)的整體漏率，如何快速精確地測(cè)出真空系統(tǒng)的漏率是需要繼續(xù)研究的問(wèn)題.

[1] 吳孝儉，閆榮鑫. 泄漏檢測(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 韓鵬，武玉，王小明，等. ITER導(dǎo)體總體氣密性檢測(cè)系統(tǒng)的真空抽氣與漏率標(biāo)定[J]. 真空，2013, 50(1): 48-51.

[3] 廖旭東，楊丹，馮曉，等. 大型真空系統(tǒng)氦檢漏率的快速準(zhǔn)確檢測(cè)方法[J]. 真空，2012, 49(1): 22-25.

[4] 王建，甘智勇，張利，等. 氦質(zhì)譜檢漏儀在350 MW汽輪機(jī)真空系統(tǒng)檢漏中的應(yīng)用[J]. 價(jià)值工程，2013(1): 317-319.

[5] 張紅軍，候靜. 真空-氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)在真空絕熱深冷壓力容器制造中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2013(3): 92-93.

[6] 周社柱，平強(qiáng). 真空設(shè)備檢漏及探傷[J]. 真空，2013, 50(1): 52-57.

[7] 達(dá)道安. 真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 3版. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[8] 黃道明. 復(fù)合材料構(gòu)件真空氣密性能的提升技術(shù)研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2013, 33(8): 744-750.

[9] 徐飛云. 靜態(tài)升壓法在冷媒加注中的檢漏分析[J]. 機(jī)械制造，2012(6): 56-59.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

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

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX02403-004）

周玉林（1991—），男，湖南祁陽(yáng)人，在讀碩士生，研究方向?yàn)檎婵諟y(cè)量、仿真計(jì)算；楊鐵牛，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)镃AD、CAM、CAE，真空設(shè)備研究，塑料機(jī)械設(shè)備研究.