半导体真空腔体静态密封和检漏分析

陈 军

杭州大和热磁电子有限公司 浙江 杭州 310053

前言

在科学技术高速发展的背景下，半导体真空腔体质量受到了人们的高度重视，由于真空腔体密封效果会直接影响系统设备的应用成效，因此，对半导体真空腔体静态密封和检漏方法进行研究，具有十分重要的意义。

1 真空腔体的材料选择

半导体设备制造对真空腔体的实用性能提出了极高要求，其中最受重视的就是其密封性能。在使用真空腔体时，保证部件密封良好是提高其使用价值的关键，但这种部件的密封性将会受到多方面因素干扰。在这些干扰因素当中，一部分来自于真空腔体材料自身。为此，相关工作人员应该以提高半导体真空腔体静态密封性为目标，合理选择零部件制作材料以及其密封面的粗糙度。

在实际作业环节，最为常见的半导体设备真空腔体制作材料是AL6061-T6。这是一种经过了“固溶处理+人工时效”(T6热处理)的6061铝合金，具有密度小、化学活性大且机械性能优良的特点，且材料加工的便捷性强，在材料、塑性搭配以及抗腐蚀能力方面极具优势，可以有效避免应力风险，更能充分满足半导体真空腔体的制作要求。制作半导体真空腔体时，相关工作人员需要保证被选材料的合理应用，比如，基于真空腔体密封性要求，控制其密封面的粗糙度和抗腐蚀能力，从而保证部件的密封性。通常来说，真空腔体都会遭受工艺气体腐蚀威胁，这些腐蚀性气体源自于半导体工艺制程，为规避此类型风险，需要对真空腔体的真空密封区和密封槽表面进行科学处理，从而使其理化性能得到提升[1]。比如，开展阳极化表面处理，全面提升6061铝合金的耐腐蚀、耐磨、耐热和绝缘性，增强材料硬度，使其在被打磨成0.4μm的粗糙度以后，能够拥有更高的密封性。

2 真空腔体密封圈槽的选择与密封圈的安装

在提升半导体真空腔体静态密封性时，相关工作人员还应该重点关注密封圈和密封槽，它们的实用性以及匹配性都将会直接影响密封效果。在此环节，不仅需要保证密封圈选材合理、密封槽尺寸合理，更要确保密封圈安装符合标准。

2.1 密封圈的选材与安装 密封圈材质的适用性、密封圈与密封槽之间的匹配性和密封圈安装的正确性都将能有效延长密封圈的使用寿命，进而让真空腔体和半导体系统设备的整体密封性得到保障。原则上，腔体越大、工艺温度越高、变形越大的优先选择大尺寸线径的密封圈。而密封圈的实际尺寸应该根据真空腔体中密封圈放置空间的预留位置和大小来决定[2]。当同一平面上存在的密封圈≥2个时，设计人员应该尽量保证它们的尺寸一致，从而为降低计算难度、降低密封槽的加工成本奠定基础。当然，在选择密封圈材料时设计人员还需从造价、硬度、性能等多角度出发进行综合考量。

在安装密封圈时，操作人员必须保证密封圈被放置在真空侧附近的位置，进而从根本上避免出现密封圈被损毁风险。检查密封面、清洗密封圈和保证密封圈不旋转扭曲是安装密封圈前的必备性操作，安装密封圈之前需要仔细检查密封槽密封面是否满足要求并进行再次清洁；此后可采用无尘纱布醮IPA清洗净密封圈，并要仔细检查确认密封圈上没有残留纱布屑，并确保擦冼时不能用力拉伸密封圈；最后在安装密封圈时，应当先按2点将密封圈对称压入密封槽，然后把没有压入的密封圈段中间位置压入密封槽内，最后将整个密封圈压入密封槽内。密封圈安装好后需要仔细检查密封圈是否凹凸不平和扭曲，保证密封圈的成型面不在密封面上。为避免安装过程损坏密封圈和密封面，安装人员应该选择非金属制作的专门塑料工具拆卸密封圈。在实践工作当中，密封槽的形状和尺寸并不统一，若遇到非圆形密封槽，相关工作人员就需要经过合理计算，保证密封圈设计数值大于密封槽拐角半径的最小值，从而为延长密封圈的使用寿命做好充足准备。此外，半导体真空腔体密封环节还会面临漏渗水危机。当有通水需要时，真空腔体的设计人员必须高度重视密封工作，保证密封设计方案具有适应性。此时，可基于双层密封模式设计密封槽，实现水体和气体的双重密封。

2.2 密封槽的设计 半导体真空腔体的密封槽种类繁多，设计人员应该基于实际要求和设计需要合理选定密封槽类型。最为常见的密封槽有矩形密封槽和燕尾密封槽两种，后者还有单、双燕尾槽之分。实际设计过程中，设计人员在保证真空腔体密封性能的前提下还应该考虑密封圈拆卸和安装的方便及可操作性，合理设置和保留密封槽的加工刀具和拆卸工具入口。选用不同的密封槽，需要付出的成本和工作量之间存在明显差异。矩形槽造价低且制作简单，设计环节的计算工作也十分容易。当选用这种密封槽时，设计人员应基于密封圈不受拉伸的原则进行结构设计和工程计算。这样一来，拉伸率就不在计算范围之内。但在矩形槽当中，密封圈无法实现反向倒置安装。燕尾槽能适用几乎所有的应用场所，在设计选择大尺寸的密封圈时，拉伸率的考虑也优为重要。在密封槽的设计上还需要考虑检漏点以方便日常检漏；通常设计人员把检漏点、加工刀具下刀点、拆卸工具入口点设计为一点。

3 真空腔体的密封检漏要点

半导体真空腔体的静态密封性是否达到规定要求，需要基于检漏结果来判断。在实际作业环节，造成真空腔体真空度不达标的原因主要有三种:其一是真空泵使用无效，此时有效抽气量不达标会引发真空状态不佳；其二是存在放气现象，无法达到标准真空度；其三是存在漏气现象，难以保证真空腔体维持真空状态。若存在漏气问题，则真空腔体上必然会出现漏孔，那么优化和修复漏孔将成为检漏工作的重点[3]。实际上，所谓真空腔体检漏就是对漏气位置、漏孔大小和漏气程度进行检测的过程。若漏气时，气体经漏孔或空隙从高压向低压移动，则表明真空腔体存在实漏；反之，若出现气体流出引发的气压升高，则意味着真空腔体存在虚漏，虚漏问题大多由材料解析、放气和凝结气体再蒸发引起。

3.1 漏率检测法 相比于半导体真空腔体的真空度能否达标，设备使用者往往更加重视其标准真空度能否得到有效保持。即是说，在半导体工艺制造环节，保证半导体真空腔体的持久真空才是工作重点。为此，相关工作人员应该提高半导体真空腔体密封性检测，为提高真空腔体的密封保持能力奠定基础。检测密封性时，最为重要的一项检测方法就是漏率检测。通常来说，当制造者出现检漏需求时，会首选漏率检测。这种方法有着良好的直观性、可靠性、无污染性和经济性，能够充分满足人们的真空检验要求。

若已知漏气处的两侧压差，那么单位时间内经过漏气处的给定温度气体量就是漏率，在真空领域当中漏率与压力存在直接关系，可用公式Q=CPn来表达。其中，以Q代表漏孔漏气率，以P代表系统内的压力表的压强值，而漏孔结构的待定常数则以C和n来表达。

当开展半导体真空腔体检漏时，操作人员应基于从上到下、从外到内的原则开展检测工作。此时，最先进入检测状态的就是水冷管道，随后应根据真空腔体的机构依次开展密封圈、密封面、密封垫连接处、焊缝处的真空检测，从而保证真空腔体检漏的全面性。若检测过程中找到漏气点，那么相关工作人员需要进行谨慎处理。比如，真空状态下严禁操作人员直接拧紧漏点螺钉；当真空腔体放气至大气压状态才能拧紧螺钉。当然，拧紧漏气处螺钉后，还需再次开展抽气检漏工作，以免螺钉在大气压状态下卡死。为保证密封效果，密封圈与密封面必须保持光滑且密封纹路必须沿着密封圈圆弧方向，若存在刮划痕迹则必须立刻替换新的密封圈，以免因部件质量问题引发泄漏。经过检验后，相关工作需要基于所获数据对真空腔体的密封性进行准确判断。比如，漏率=10-7Pa·L/s时，代表真空腔体密封性良好；若漏率处于10-7Pa·L/s和10-6Pa·L/s之间时，代表真空腔体密封性处于标准状态内；若漏率超过了10-6Pa·L/s，则代表着真空腔体密封性不佳，存在明显的气体泄漏情况。

3.2 静态升压法 这种方法同样是真空腔体密封性检测的常用方法，借助于静态升压法才能确定真空腔体是否存在良好的密封性，可以说此方法属于判断真空腔体真空度的必要条件。在应用时，操作人员需要将待检测的真空腔体抽空到真空状态，然后再通过关闭阀门来隔绝容器和真空泵；此时，使用真空计测量压力变化值，可以准确地计算总漏率，从而确定真空腔体的密封性。通常来说，基于静态升压法测量真空腔体密封性时，相关工作人员需要以平均10分钟/次的频率记录压力变化，然后基于(末次压力-首次压力)/60来计算升压率。

结论

总而言之，只有真空腔体的静态密封性与半导体系统设备的密封性要求相符，才能保证该部件的应用有效性，以及半导体制造工艺的顺利使用。在实践工作当中，相关工作人员需要从材料选择、密封槽设计、密封圈安装等方面着手提高真空腔体的静态密封性能；还需要科学的选择检漏方法:检测漏率、检测压升率来保证半导体腔体检漏的有效性。