聊聊真空泵在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用：從刻蝕工藝的痛點說開

上個月去蘇州園區(qū)一家做12寸先進(jìn)封裝的工廠處理故障，他們的干法刻蝕工序最近良率突然掉了2.8個百分點，查了光刻膠、刻蝕氣體都沒問題，最后查到真空系統(tǒng)：滿產(chǎn)能生產(chǎn)時，刻蝕腔的工作真空波動超過了±0.2Pa，超出工藝要求的范圍，根源就是當(dāng)初配真空泵的時候留的抽速余量不夠，根本扛不住滿產(chǎn)時連續(xù)生產(chǎn)的放氣量。很多人覺得半導(dǎo)體生產(chǎn)線的核心是光刻機(jī)、刻蝕機(jī)，其實真空泵才是保證工藝穩(wěn)定的基礎(chǔ)，今天就結(jié)合十幾年的現(xiàn)場經(jīng)驗聊聊這個話題。

半導(dǎo)體核心工藝對真空泵的核心要求

半導(dǎo)體制造的三大核心工藝都離不開真空泵：刻蝕、薄膜沉積、離子注入，每一步對真空環(huán)境的要求都有差異，但對穩(wěn)定性、潔凈度、耐腐蝕性的要求是統(tǒng)一的。

干法刻蝕工藝過程中，會不斷釋放氟基、氯基的腐蝕性副產(chǎn)物，不僅要求真空泵能穩(wěn)定維持10^-2~10^-4Pa的工作真空，還要泵腔本身能抗腐蝕，不會用幾個月就被腐蝕漏汽；同時真空度波動必須控制在±0.1Pa以內(nèi)，一旦波動過大，刻蝕速率就會不均勻，線寬誤差超標(biāo)，直接導(dǎo)致良率下降。

薄膜沉積不管是PECVD還是PVD，都要求真空環(huán)境絕對潔凈，不能有油蒸氣、顆粒物污染，一旦污染晶圓，沉積的薄膜就會出現(xiàn)針孔、雜質(zhì)，直接報廢。離子注入對真空要求更高，除了前級真空要穩(wěn)定，還要避免殘留氣體和離子束反應(yīng)，影響注入雜質(zhì)的濃度均勻性，所以前級泵的抽速穩(wěn)定性直接決定了整個高真空系統(tǒng)的性能。

選型常見的三個坑，很多工廠都踩過

• 盲目追求高真空等級，大馬拉小車，我碰到過不少工廠，做普通的封裝級刻蝕，工藝只需要10^-3Pa的工作真空，非要配能到10^-6Pa的高端真空機(jī)組，設(shè)備采購成本直接翻了三倍不說，高真空機(jī)組對日常維護(hù)要求更高，反而更容易出故障，拉低了整體稼動率。其實適合工藝要求的才是對的，不是越高端越好。
• 忽略工藝介質(zhì)的腐蝕性，選未做防腐處理的泵，半導(dǎo)體工藝的副產(chǎn)物腐蝕性很強(qiáng)，普通真空泵的葉輪、泵腔沒有做特殊防腐處理，快的話半年就會出現(xiàn)腐蝕磨損，抽速下降30%以上，維修的時候整個泵腔都要換，成本差不多是新泵的60%，算下來比一開始選防腐泵貴多了。
• 抽速余量留不足，滿產(chǎn)就掉壓，就是開頭我碰到的那個故障，很多選型的時候只按腔室體積算抽速，忽略了管路漏率、工藝過程的連續(xù)放氣，還有開門換片后的快速抽氣需求，留的余量不到10%，低產(chǎn)能生產(chǎn)的時候沒問題，滿產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行就扛不住，真空波動直接影響良率。

不同半導(dǎo)體工藝的真空泵選型思路

針對半導(dǎo)體三大核心工藝，我整理了實際項目中跑了好幾年驗證的選型方案，給大家做參考：

干法刻蝕工藝，現(xiàn)在主流選擇是耐腐蝕螺桿干泵，單臺12寸刻蝕腔一般配抽速150~300m3/h的型號就行，干泵沒有油污染，泵腔做防腐處理之后，能長期承受腐蝕性副產(chǎn)物，穩(wěn)定性比傳統(tǒng)油式泵好很多，我們給客戶配過鮑斯、愛德華的干泵，都能滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求。

薄膜沉積工藝，PVD和PECVD都對潔凈度要求極高，為了避免油蒸氣返滲污染晶圓，前級泵基本都用干泵，配合分子泵組實現(xiàn)高真空；如果是舊生產(chǎn)線改造用旋片泵，必須選帶防返油裝置的型號，不然很容易出現(xiàn)晶圓污染的問題。

離子注入工藝，因為需要10^-4Pa以上的極限真空，所以基本都是多級真空機(jī)組，前級用大抽速干泵穩(wěn)定維持前級壓力在1Pa以下，給后級分子泵提供合適的工作條件，前級壓力波動不能超過0.5Pa，不然分子泵的抽速會受影響，整個系統(tǒng)的極限真空就達(dá)不到要求。

蘇州嘉科（www.haodondon.cn）做選型的時候，都會先幫客戶算清楚管路漏率、工藝放氣量，再留足15%~20%的抽速余量，不會出現(xiàn)滿產(chǎn)掉壓的問題。

日常維護(hù)容易忽略的細(xì)節(jié)

很多工廠的真空泵出問題，不是選型錯了，是維護(hù)不到位，有幾個細(xì)節(jié)很多人都不注意：

第一個是泵腔積碳吹掃，半導(dǎo)體工藝的副產(chǎn)物會不斷沉積在泵腔內(nèi)壁，時間長了會縮小泵腔容積，降低抽速，一般普通工藝3個月吹掃一次，腐蝕性強(qiáng)的工藝一個月一次，吹掃用干燥氮?dú)饩托?，能大大延長泵的使用壽命。

第二個是排氣過濾器提前更換，很多人都是過濾器堵了壞了才換，其實應(yīng)該按運(yùn)行小時換，一般干泵的排氣過濾器5000小時就要換，油旋泵的油過濾器3000小時換，不然排氣背壓升高，抽速會降10%~20%，慢慢就影響真空穩(wěn)定。

第三個是軸封定期檢查，腐蝕性氣體會慢慢侵蝕軸封，哪怕沒有外漏，也要一年拆檢一次，一旦軸封漏了，外界空氣進(jìn)泵腔，不僅真空度上不去，還會氧化工藝副產(chǎn)物，生成更多雜質(zhì)，污染整個真空腔。

現(xiàn)在先進(jìn)半導(dǎo)體制程對真空穩(wěn)定性的要求越來越高，很多工廠在做舊線改造的時候，都想著直接換更高端的真空泵，其實很多時候問題不出在泵本身，而是管路設(shè)計、余量計算或者維護(hù)不到位，先排查這些基礎(chǔ)問題，再考慮換設(shè)備，能省不少冤枉錢。