摘要：半导体设备的洁净度对器件性能极为重要股票按天配资，真空环境下悬浮颗粒和残余气体含量低，更接近于真正的清洁真空。洁净真空环境的获得与保持是半导体工业生产的关键，涉及多种学科和技术。本文从腔室材料选择、腔室设计和制造、内表面清洗和检测技术、包装和转运等方面详细介绍了洁净真空系统工艺设备的研制过程。所研发的设备在带载情况下可快速获得 1×10-4 Pa 工作真空度，残余气体和颗粒度指标均满足工艺要求。
关键词： 洁净真空 半导体 颗粒度 超高真空
半导体真空测试离不开专用工艺设备，半导体用测试设备内部除了要满足超高真空或极高真空指标外，还对环境组分的水分压和碳氢化合物等有严格要求，例如在超高真空的极限压力环境下，水分压应低于 1×10-9 Pa，CxHy（相对分子质量为 45~100）分压低于 1×10-10 Pa，CxHy（相对分子质量为 101~200）分压低于 1×10-11 Pa 等。大分子有机物是会在设备表面凝结的主要污染物[1-2]。
半导体用测试设备对洁净表面同样有严格的要求。大部分测试设备的使用环境为千级洁净间，个别为百级洁净间或 ISO Class6 级别。真空区域按压力高低可划分为低真空、中真空、高真空、超高真空（UHV）和极高真空（XHV）。从大气环境到极高真空区域（105~<10-9 Pa），压力降低了10余个数量级；分子平均自由程从纳米量级达到数万米（10-8 m~104 m）；分子数密度（个/cm3）从约 2.519 下降到 2.57；单分子层的形成从纳秒级别延长到数小时[3-4]。由此 ，真空度较高的环境中设备表面洁净度可以维持更长的时间，对工艺更为有利。
区别于其他真空工艺，半导体行业对真空环境的颗粒度和杂质极其敏感，依据半导体行业标准，空间悬浮粒子（即颗粒度洁净度等级划分）只关注超微粒子（0.1~0.5 μm）。换言之，半导体工艺环境空间中不容许大于 0.5 μm 的“大颗粒”或大长径比纤维等存在。根据洁净度等级划分，从 ISO Class9 到 ISO Class4，颗粒浓度约从 107 降至到 102 或更低。
半导体器件在后期制造过程中需要使用专用装备完成系列测试工艺，腔体内部真空度达到工作压力，然后进行样品传递、移动和电源加载等，测试真空度一般要求优于 10-5 Pa，同时残余气体分压和空间颗粒浓度满足上述要求。获得 UHV 相对容易，而 UHV+ 颗粒度等指标均达到要求则比较困难。材料的选择、加工精度、表面粗糙度、隔振设计、表面清洗和颗粒度处理、精密部件的选型和检测以及洁净表面的实现，每一步都要达到极端苛刻的要求。
作者团队数年来攻克了多台套关键性工艺设备研发难题 ，包括用于半导体晶圆检测的超高真空测试设备、用于光学测试的大型超高真空测试系统和用于电子源检测工艺的极高真空测试台等，同时研发了配套的真空高压馈通法兰组件（feedthrough）等。在软件控制方面，进行了多台套相关设备集控设计 ，形成了洁净真空的半导体用高端产品。本文介绍了洁净真空系统工艺设备研制过程，对超高真空、半导体设备的真空获得、洁净表面工艺及应用等具有一定的参考价值。
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典型洁净真空系统简介
半导体测试设备洁净真空系统的典型配置为：①涡旋式干泵+磁悬浮分子泵，用于小型真空系统；②螺杆泵机组+磁悬浮分子泵，用于大中型真空系统。分子泵和前级真空泵通常要配置隔振装置[5-6]。选配阀门时，根据不同工艺，除了常规的真空阀门外，一些测试设备需要选用特殊的真空传输阀、低颗粒度插板阀等，同时对密封材料的释气率也有严格要求。
为避免抽气时对精密元器件的振动和冲击，粗抽阶段需要选用缓抽阀门，同时在复压时，充气管路的末端选用精密过滤器进行缓冲和过滤。所有接口选用长寿命、高可靠性阀门，采用无氧铜垫圈或氟橡胶 O 型圈密封方式，真空室、阀门和接口等的耐烘烤温度要求不低于 150 ℃。漏率是基于工艺要求的设备核心指标之一，本文设计的测试系统总体漏率小于 5×10-10 Pa·m3/s [7-12]。真空系统简图如图1所示。
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▲ 图1 真空系统简图：P1-螺杆泵机组；P2-分子泵；G1-电阻规；G2-电离规；G3-压力开关；RGA-四极质谱仪；V1-挡板阀1；V2-插板阀；V3-缓抽阀；V4-挡板阀2；V5、V6-隔膜阀；V7-手动调节阀；V8-泄压阀；F1-高纯过滤器
为满足无油、快速抽真空、低振动（增加隔振后）等要求，除了上述涡旋式干泵、螺杆式干泵（机组）和磁悬浮分子泵，还可以选择离子泵和低温泵等[13-15]。按照半导体洁净厂房的划分，主泵随设备主体放置在较高的洁净区内（白区），粗抽真空泵等放置于洁净度相对较低的灰区。
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洁净真空系统研制过程
2.1 腔室材料的选择
腔室材料选择是洁净真空系统设计的关键环节之一。获得超高真空环境的首要条件是使用释气率低的材料[16-17]。优质真空材料制造过程中经过严格表面处理，最大程度减少了材料的释气，在整体装配后，可在较短时间内获得需要的真空度指标[18]。300 系列不锈钢材料具有释气率低、易焊接、无磁性和耐烘烤等优点，是金属超高真空系统结构原料的首选[19]，在高真空和超高真空系统中广泛应用。基于半导体装备超高真空及低剩磁率要求，不锈钢材料型号常选用 316L。316L 不锈钢的化学成分如表1所示。
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▲ 表1 316L 不锈钢的化学成分
316L 不锈钢的优点如下：①易于冷加工和焊接；②机械性能和抛光性优良，可以免焊后退火；③镍含量较高，奥氏体结构稳定[20]。由于不锈钢材料在经过焊接和冷加工后，依然会带有弱磁性[21]，其最理想的可替代材料为铝合金，本文涉及的铝合金腔室常用牌号有 5083、6061 等，铝合金材料密封除了使用常规 O 型圈外，本团队还利用爆炸焊形成的复合法兰实现了金属密封。和不锈钢相比，使用铝合金制造真空腔室，有诸多优势：
❶ 铝合金无磁性、耐腐蚀、加工性能优良，表面可达到镜面光洁度；
❷ 铝合金具有优良的挤压、轧制、旋压、锻造和焊接性能，适合制造各种形状的无缝管、构件、型材等；
❸ 铝合金热导率约为钢的4倍，且冷却速度快，局部加热就可实现整体温度均匀；抽真空时，采用相对较低的烘烤温度（150 ℃）即可获得理想放气率[22]；
❹ 比重小，设备质量轻；
❺ 熔点低，回收性好，可以降低成本。
5083 材料属于 Al-Mg 系列铝合金，抗腐蚀性好，广泛应用在可焊性好、抗蚀性强及中等强度的设备中，如船舶制造等，也可作为焊接真空腔室的选材[23]。
对于需要整体加工成型的腔室，可以选用 6061 铝合金。6061 铝合金经过热处理（T6）后能够达到中等强度，其强度高于 5083 铝合金；6061-T6 材料比 5083 等5系列铝合金更容易加工；6061 铝合金具有优异的表面处理及阳极氧化特性，硬质氧化效果均比 5083 等5系列材料的略好。
2.2 腔室设计和制造
目前，大中小型设备所用不锈钢腔室的设计和制造已经成熟。小型铝合金腔室基本不受原材料的局限，而大中型铝合金腔室的设计和制造需要提前调研，这是由于部分原材料会受限于锻造毛坯的成熟度、焊接难度、成本和可加工性等。真空室的设计要考虑容积、材料和形状，对于铝合金腔室，O 型圈密封接口可以直接加工，特殊接口需要选用耐烘烤的金属密封方式。基于不同工艺的要求，真空室可设计为圆筒形、盒形和多面体等[24]。开门方式也有所不同，分为前后开门（包括铰链式和螺栓式等）、上下开门（包括手动上开盖和辅助吊装式）等。
圆筒形不锈钢腔室可以定制材料再加工，也可选择标准不锈钢无缝管 ，无缝管内外经过抛光，管内壁光洁度高，在气密性、焊接性和耐温性等方面都比普通不锈钢管优越。大中型盒形腔室均需要焊接成型，为了减少成品变形，需进行焊后加工并做退火处理。多面体腔室则采用整体锻件坯料，加工方式要用到5轴 CNC 加工中心等。对于铝合金腔室，真空室设计时为了尽量减少焊缝和焊接变形，采用锻造毛坯无焊接式整体加工，这免去了后期焊接、检漏等工序，极大降低了泄露隐患。图2为两种不同腔室模型图。
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▲ 图2 不锈钢/铝合金腔室
本文设计的铝合金腔室采用锻造毛坯料进行整体加工。O 型圈密封槽亦是整体加工成型，金属密封法兰材料为铝合金+不锈钢复合板，复合板采用爆炸焊工艺。
2.3 零部件的清洗
设备的洁净度对半导体行业极为重要，根据相关研究数据，过半的半导体芯片缺陷来源于半导体材料表面污染[25]。
真空腔室表面清洁工艺在常规溶剂清洗、超声波清洗等基础上进行了优化，按照半导体行业标准制定了严格的表面清洗规范，并采用了环保工艺。清洗需要用到高压水枪、不同种类溶剂、纯水、超声波设备、干燥气体和烘箱等，目的是清除前一工序的残留物并做严格检查。清洗环节分预清洗和洁净清洗，洁净清洗需要在 1000 级洁净房作业。以铝合金腔室的清洗为例，预清洗为流水线作业，主要流程为①高压冲洗→②脱脂清洗→③高压冲洗→④酸洗→⑤纯水浸泡→⑥高压冲洗；洁净清洗主要程序为①超声波水洗→②纯水浸泡→③吹干→④烘干。
清洗环节高压水的压力、溶液浓度、浸泡液温度、烘干温度和时间等参数都应按照规范严格执行并做记录。实际操作中，单一清洗液往往达不到清洗效果 ，且清洗过程需要重复多次。另外，超声波频率、清洗液流速等也会对清洗结果造成影响[26]。
清洗完成后需进行检验，操作过程如下：
❶ 用黑光灯检查，观察表面是否存在荧光、纤维和颗粒等；
❷ 使用防静电无尘布和棉棒等蘸取酒精检查（图3），擦拭表面并观察是否存在污点，重点检查密封面、死角和螺纹孔等，不合格处需要局部重新清洗直到符合标准。检验合格的产品采用真空包装后转运。
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▲ 图3 清洗结果检查示意图
2.4 测试及结果
设备测试在洁净厂房内进行。被测试设备按照无尘规范过渡：万级洁净间装配调试——真空包装——千级洁净间拆箱——专用设备转运——百级洁净间测试。半导体测试设备的转运需特种设备，如起重机、龙门吊，重型设备在洁净间内的转运需要用到兼容洁净环境的悬浮气垫和自动导向车（AGV）等。
初次抽真空后用氦质谱检漏仪测试漏率[27-28]。选用复合规 G2 测量腔室真空度，其量程下限可达 10-8 Pa 超高真空，优于系统技术指标。在腔室不同位置设置真空测量点，便于对比真空度。分别测试设备空载和带载条件下的极限真空度，烘烤后用 RGA 测试系统残余气体成分。
粗抽真空时开启真空泵 P1，为了避免瞬时气流对内部精密部件等造成冲击，先开启阀门 V3，延时开启阀门 V4 继续粗抽。达到设定值后开启分子泵 P2 和阀门 V1、V2。测试时采用纯度99.999% 的氮气进行冲洗，冲洗系统连接厂务高纯氮气（或 CDA）管路，真空腔室侧包含气动调节阀 V5/V6、手动调节阀 V7、精密过滤器 F1、管件及接头等，充气完成时压力开关 G3 输出反馈停止充气，过压充气可通过真空泄压阀 V8 泄压。气源和腔室之间还配有截止阀、流量计、二位三通电磁阀等。腔室经人工多次清洁以及多次冲洗和抽真空测试，工作真空度抽气时间比要求缩短了 70%，测试结果如表2所示。
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▲ 表2 真空腔室测试结果
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结 论
本文通过对半导体工艺测试设备的设计和调试，总结了洁净真空设备的研制过程。经过最终测试，设备在带载情况下可快速获得 1×10-4 Pa工作真空度，残余气体质谱分析结果优于指标要求，颗粒度指标满足工艺要求。研发过程中对腔室材料和影响真空腔内洁净度的因素做了优化，特别是在后期内部清洁过程中制定了详细的工艺规范并严格执行，实现了多台套洁净真空设备的高质量交付。
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本文作者：唐 榕，卢少波，韩永超
原文标题：基于洁净真空的半导体测试设备的研发
作者单位：北京真空电子科技有限公司图片
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