高真空蒸发镀膜设备及检漏

高真空蒸发镀膜设备及检漏

王宜琪

尼西半导体科技（上海）有限公司 201614

摘要：半导体金属化工艺中，要求金属层光泽致密，无氧化，无损伤，接触好，粘附牢，膜厚可控，均匀性好等等，所以不管是电子束蒸发台还是磁控溅射台等等，都要求设备本身提供一个高真空的镀膜环境。

关键词：真空镀膜；真空；蒸发；半导体；检漏。

引言：蒸发（evaporation）是物理淀积（PVD）的一种，是将金属源材料加热至气态，蒸发到腔内上方晶圆表层，晶圆固定在行星盘内伴随着不间断的公自转以达到均匀镀膜的效果。出于工艺需求，该process过程需要在高真空条件下进行，因为在高真空条件下，洁净度高、水蒸气少。有些半导体设备还会用到有毒或腐蚀性的气体，设备的低漏率使得这类气体不会外泄也能及时抽走相关气体和气态反应物，保证安全生产。随着设备老化和工艺要求提高，相关真空故障也随之产生。

1 真空系统

高真空系统的建立通常由低真空系统、高真空系统两部分组成。

低真空系统

以蒸发为例：蒸发台的低真空泵为旋片式真空泵(油泵),作为冷泵的前级泵，该泵由泵体、转子、旋片、气镇、弹簧等部分组成。在泵的缸体内有一偏心转子，转子外周与泵内壁几乎相切（有间隙），转子槽内有带弹簧的二个旋片。旋转时在离心力和弹簧支撑力的共同作用下使旋片顶部与泵体内壁接触，转子带动旋片沿内壁转动。

原理:旋片将泵体内的转子,泵腔和俩个气口所围成的月牙型空间分隔成ABC三个部分，当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的A空间容积增大，气压降低，外部压强更大，故吸气。与排气口相通C空间缩小，故排气。B空间也是处于压缩过程。由于A空间增大，因此气体被吸入，随着A旋转至与进气口隔绝，即至B位置，容积变小，气体压缩，最后又到C位置与排气口相通。当压缩气体压强大于外部压强，出气口被打开。所以油泵工作时，旋片连续旋转可以达到连续抽气的目的。泵油在其中起到填补旋片与泵内壁间隙以及散热的作用。

总结：油泵作为低真空建立者，从其工作原理出发，旋片、腔室和泵油配合工作建立低真空状态，为下一步建立高真空提供必要条件，而旋片、转子等活动摩擦部件的状态，油的品质等共同影响低真空系统的稳定性，所以做好油泵部品和泵油的定期更换保养以及油位检查很重要。

皮拉尼真空计(Pirani Gauge)

蒸发台使用的低真空计为皮拉尼。基本原理：真空度，即单位体积内空气分子数，空气作为热媒介，不同真空度会影响发热电阻丝带走热量的能力，从而影响电阻丝温度，电阻丝温度又影响电阻（率）。影响电流在电阻丝上的压降，根据电压变化从而换算出空气分子数，即真空度。

高真空系统

蒸发台高真空泵为冷泵,利用气体在超低温表面冷凝和吸附而达到排气的效果。

冷泵能达到极高真空（E-11pa），有排气速度快、无油和安装方向不受限制等优点，构造如图。

冷泵的一级冷头上，设置屏蔽罩和挡板，温度维持在80K。二级冷头维持在15K以下，上面设置低温罩和活性炭吸附剂。

冷泵的原理概括说就是用超低温表面吸附气体分子，而这种超低温表面需要压缩机，冷冻机来维持。

总结：高真空作为半导体真空镀膜工艺的首要条件，真空系统性能稳定直接影响到产品工艺质量，严重的如晶圆表面peeling甚至会造成产品报废，从原理出发，做好冷泵温度、压缩机氦气工作压力的监控，冷泵的再生及部品定期更换保养，至关重要。

离子规（Ionization Gauge）

又叫电离真空计。原理：在低压强气体环境中，通过加热阴极发射电子，使待测气体电离，电离产生的离子流与气体压力成正比。

除气原因：电离规灯丝长时间使用后，表面会产生一些氧化物，影响测量效果。除气（Degas）是在高真空条件下，给灯丝加上大电流，使表面氧化物蒸发，使测量更准确。

通常电离规会有两根灯丝，不仅可作备用，当真空突然出现异常，尝试切换灯丝也可以初步判断是否真空计本身异常。

2 高真空密封

蒸发台作为一种高真空设备，密封技术与真空系统同样重要，高真空密封可分为静密封和动密封。静密封主要是静态密封圈密封，动密封在蒸发台上主要是旋转密封圈密封和磁流体密封。

磁流体是由纳米级的导磁材料、分散剂和载体融合成的一种流体物质, 有许多特殊功能, 在半导体设备上是极佳的动密封件。

磁流体密封原理：永久磁铁作用下，磁流体围绕在回转轴外围, 由于回转轴与外层部件间隙极小,且磁场强度很大,所以能承受沿轴方向较大的力而不分散,形成一个“O型密封圈”，达到密封效果。

磁流体密封具有运动状态下稳定、无泄漏、无磨损、使用寿命长等特点, 静密封和动密封都很适用。

3 He 质谱检漏仪的使用

半导体设备真空系统故障一般分为两类:

一是真空系统故障（包括真空泵组和测量装置）,另一个是真空系统泄漏。第一类故障,通过检测设备的极限真空或上文提到的更换好的真空计（或切换灯丝）就可以确认。而第二类故障往往需要检漏。半导体设备检漏又有两种: 保压检漏和He 质谱检漏。

保压检漏就是将真空室与真空泵组隔开（或关闭高阀）,测量内部压强（真空度）随时间的变化。如蒸发台的Build Up设置，就是将设备真空抽到设定值，然后自动关闭真空室和冷泵间的高阀，即停止抽真空，15mins后根据真空值的变化计算漏率，保压漏率Spec为5E-6Pa﹒m3/s以下。

我们更常使用的还是He 质谱检漏，通常保压检漏只能判断真空室是否有漏，而He质谱检漏可以更精准的找到漏点。检漏仪搬运过程中，因为内部分子泵的原因,要避免震动。检漏仪通常选择高灵敏度方式,不仅查漏精确也有利于保护分子泵。开始我们先将检漏仪抽气管与设备真空室或连接管道相接，但出于检漏仪自身抽气能力限制,一般要用设备自身抽真空。真空抽到0.5 Pa左右即可。等漏率显示稳定后再开始检漏。在检漏过程中如果需要操作各种阀门接口等, 要先让检漏仪停止工作或者不放气,否则突然进入气体会导致检漏仪损坏。真空抽到目标值后应该关上高阀和粗抽阀,否则测得漏率可能会小于实际值。另外,接氦气钢瓶的气枪喷嘴喷出的He 流量要小, 这样有利于精确确认漏点,He流量大很容易扩散到检测点以外的地方造成真实漏点难以判断，一般喷嘴喷出的He能让皮肤感觉到即可。除非某些独立且结构特殊的位置，He难以到达可能需要喷出较多He,防止漏检。发现漏点后待真空度稳定要做二次确认,因为通常建立高真空需要时间较长，尽可能避免无用功，对漏点维修后再次做检漏进行确认。

4 真空设备检漏

半导体真空设备包括物理淀积设备和化学淀积设备。物理淀积设备有蒸发台和磁控溅射台等，化学淀积设备有PECVD等。现在以蒸发台为例。如图所示,该设备正常时2h真空能抽到8E-5 Pa。关上高真空阀保压,12h后真空室压强升到3E-4 Pa。出现真空故障后,2h真空抽到2.5E-4 Pa。关上高真空阀保压,12h后真空室压强升到1.7 Pa。

首先对该设备进行常规动作检漏。先是排除如门密封圈这类静密封因素，有无异物，密封圈有无磨损等;再就是待高真空条件下检查动密封状态，即动作各个贯穿腔体的可运动部件，如没有或几乎没变化，则：一 有可能漏点不在这几个部件上，二 漏点小，漏率比抽真空速率小，所以不会导致真空度上升，自然看不出来。更换真空计进一步排除。再就是真空泵抽真空能力下降，当然突然出现这种情况的可能性很小，如果冷泵温度在15K内那基本可以排除。因此初步判断设备泄漏。用检漏仪检漏,注意喷气时的气量和停顿以保证检测结果和位置的精准，先检测腔体，主要门和各个贯穿腔体部件和运动部件，喷到舟电极时，漏率达5E-9Pa﹒m3/s,继续喷He,漏率上涨到1.6E-8Pa﹒m3/s，确定舟电极处微漏。随后停掉冷泵,检测了粗抽阀、放气阀、充气阀这些主要的阀门和管道，都正常。然后检测冷泵，先再生,待温度到室温再停止regent。从冷泵的氮气阀, 喷He 检测,漏率达76E-8Pa﹒m3/ s。第一次检漏发现腔体和冷泵可能都有泄漏。拆下舟电极棒,发现密封圈很脏,即蒸发台内镀膜产生的金属颗粒和粉尘，清理后涂上一层薄的真空脂。装回后再检,仍然漏气,拆下该电极换上一个堵头,再检漏依然漏气。确认还是有其他漏点。结合之前检测冷泵有较大的泄漏，但是冷泵本体或管道阀门若泄漏理论上冷泵无法工作，怀疑可能是在冷泵与腔体相通地方泄漏。所以检查高阀,发现阀板密封圈上有许多金属颗粒,清理后装回,检漏正常。冷泵再生完成，启动抽真空，抽速、极限真空和保压漏率都正常。故障解除。蒸发台常见真空故障有密封圈磨损或沾污,波纹管漏气和真空计失准等。除此之外,较少发生且较难检的还有坩锅水冷密封件漏气,高压电极漏气及磁流体漏气等故障。

5 结语

半导体真空设备有许多建立和影响真空的部件,任何一个部件漏率较大,都会导致无法建立高真空。半导体设备的真空故障难点通常是微漏导致抽不到高真空，更极端的是能达到高真空却依然存在微漏，这种不容易被发现的微漏很危险，会在设备看起来稳定的情况下造成大量工艺异常，所以配合周期性（比如保养）静压检漏法也很重要。真空检漏的重点也是难点是要重视细节, 要有耐心。通常对于高真空计这类关键部件，推荐原厂而不建议国产替代。而在一次次的高真空故障发生和解决的过程中，我们更应总结并找到其发生的根本原因，并落实到今后的保养维护，改造及备件计划等设备管理工作中去，使得设备真空及其他性能真正得到优化和可控，这点比解决真空故障本身更重要。