半導(dǎo)體真空腔體靜態(tài)密封和檢漏分析

陳 軍

杭州大和熱磁電子有限公司 浙江 杭州 310053

前言

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，半導(dǎo)體真空腔體質(zhì)量受到了人們的高度重視，由于真空腔體密封效果會(huì)直接影響系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用成效，因此，對(duì)半導(dǎo)體真空腔體靜態(tài)密封和檢漏方法進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。

1 真空腔體的材料選擇

半導(dǎo)體設(shè)備制造對(duì)真空腔體的實(shí)用性能提出了極高要求，其中最受重視的就是其密封性能。在使用真空腔體時(shí)，保證部件密封良好是提高其使用價(jià)值的關(guān)鍵，但這種部件的密封性將會(huì)受到多方面因素干擾。在這些干擾因素當(dāng)中，一部分來(lái)自于真空腔體材料自身。為此，相關(guān)工作人員應(yīng)該以提高半導(dǎo)體真空腔體靜態(tài)密封性為目標(biāo)，合理選擇零部件制作材料以及其密封面的粗糙度。

在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，最為常見(jiàn)的半導(dǎo)體設(shè)備真空腔體制作材料是AL6061-T6。這是一種經(jīng)過(guò)了“固溶處理+人工時(shí)效”(T6熱處理)的6061鋁合金，具有密度小、化學(xué)活性大且機(jī)械性能優(yōu)良的特點(diǎn)，且材料加工的便捷性強(qiáng)，在材料、塑性搭配以及抗腐蝕能力方面極具優(yōu)勢(shì)，可以有效避免應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)，更能充分滿(mǎn)足半導(dǎo)體真空腔體的制作要求。制作半導(dǎo)體真空腔體時(shí)，相關(guān)工作人員需要保證被選材料的合理應(yīng)用，比如，基于真空腔體密封性要求，控制其密封面的粗糙度和抗腐蝕能力，從而保證部件的密封性。通常來(lái)說(shuō)，真空腔體都會(huì)遭受工藝氣體腐蝕威脅，這些腐蝕性氣體源自于半導(dǎo)體工藝制程，為規(guī)避此類(lèi)型風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)真空腔體的真空密封區(qū)和密封槽表面進(jìn)行科學(xué)處理，從而使其理化性能得到提升[1]。比如，開(kāi)展陽(yáng)極化表面處理，全面提升6061鋁合金的耐腐蝕、耐磨、耐熱和絕緣性，增強(qiáng)材料硬度，使其在被打磨成0.4μm的粗糙度以后，能夠擁有更高的密封性。

2 真空腔體密封圈槽的選擇與密封圈的安裝

在提升半導(dǎo)體真空腔體靜態(tài)密封性時(shí)，相關(guān)工作人員還應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注密封圈和密封槽，它們的實(shí)用性以及匹配性都將會(huì)直接影響密封效果。在此環(huán)節(jié)，不僅需要保證密封圈選材合理、密封槽尺寸合理，更要確保密封圈安裝符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 密封圈的選材與安裝 密封圈材質(zhì)的適用性、密封圈與密封槽之間的匹配性和密封圈安裝的正確性都將能有效延長(zhǎng)密封圈的使用壽命，進(jìn)而讓真空腔體和半導(dǎo)體系統(tǒng)設(shè)備的整體密封性得到保障。原則上，腔體越大、工藝溫度越高、變形越大的優(yōu)先選擇大尺寸線(xiàn)徑的密封圈。而密封圈的實(shí)際尺寸應(yīng)該根據(jù)真空腔體中密封圈放置空間的預(yù)留位置和大小來(lái)決定[2]。當(dāng)同一平面上存在的密封圈≥2個(gè)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該盡量保證它們的尺寸一致，從而為降低計(jì)算難度、降低密封槽的加工成本奠定基礎(chǔ)。當(dāng)然，在選擇密封圈材料時(shí)設(shè)計(jì)人員還需從造價(jià)、硬度、性能等多角度出發(fā)進(jìn)行綜合考量。

在安裝密封圈時(shí)，操作人員必須保證密封圈被放置在真空側(cè)附近的位置，進(jìn)而從根本上避免出現(xiàn)密封圈被損毀風(fēng)險(xiǎn)。檢查密封面、清洗密封圈和保證密封圈不旋轉(zhuǎn)扭曲是安裝密封圈前的必備性操作，安裝密封圈之前需要仔細(xì)檢查密封槽密封面是否滿(mǎn)足要求并進(jìn)行再次清潔；此后可采用無(wú)塵紗布醮IPA清洗凈密封圈，并要仔細(xì)檢查確認(rèn)密封圈上沒(méi)有殘留紗布屑，并確保擦冼時(shí)不能用力拉伸密封圈；最后在安裝密封圈時(shí)，應(yīng)當(dāng)先按2點(diǎn)將密封圈對(duì)稱(chēng)壓入密封槽，然后把沒(méi)有壓入的密封圈段中間位置壓入密封槽內(nèi)，最后將整個(gè)密封圈壓入密封槽內(nèi)。密封圈安裝好后需要仔細(xì)檢查密封圈是否凹凸不平和扭曲，保證密封圈的成型面不在密封面上。為避免安裝過(guò)程損壞密封圈和密封面，安裝人員應(yīng)該選擇非金屬制作的專(zhuān)門(mén)塑料工具拆卸密封圈。在實(shí)踐工作當(dāng)中，密封槽的形狀和尺寸并不統(tǒng)一，若遇到非圓形密封槽，相關(guān)工作人員就需要經(jīng)過(guò)合理計(jì)算，保證密封圈設(shè)計(jì)數(shù)值大于密封槽拐角半徑的最小值，從而為延長(zhǎng)密封圈的使用壽命做好充足準(zhǔn)備。此外，半導(dǎo)體真空腔體密封環(huán)節(jié)還會(huì)面臨漏滲水危機(jī)。當(dāng)有通水需要時(shí)，真空腔體的設(shè)計(jì)人員必須高度重視密封工作，保證密封設(shè)計(jì)方案具有適應(yīng)性。此時(shí)，可基于雙層密封模式設(shè)計(jì)密封槽，實(shí)現(xiàn)水體和氣體的雙重密封。

2.2 密封槽的設(shè)計(jì) 半導(dǎo)體真空腔體的密封槽種類(lèi)繁多，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該基于實(shí)際要求和設(shè)計(jì)需要合理選定密封槽類(lèi)型。最為常見(jiàn)的密封槽有矩形密封槽和燕尾密封槽兩種，后者還有單、雙燕尾槽之分。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員在保證真空腔體密封性能的前提下還應(yīng)該考慮密封圈拆卸和安裝的方便及可操作性，合理設(shè)置和保留密封槽的加工刀具和拆卸工具入口。選用不同的密封槽，需要付出的成本和工作量之間存在明顯差異。矩形槽造價(jià)低且制作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的計(jì)算工作也十分容易。當(dāng)選用這種密封槽時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)基于密封圈不受拉伸的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程計(jì)算。這樣一來(lái)，拉伸率就不在計(jì)算范圍之內(nèi)。但在矩形槽當(dāng)中，密封圈無(wú)法實(shí)現(xiàn)反向倒置安裝。燕尾槽能適用幾乎所有的應(yīng)用場(chǎng)所，在設(shè)計(jì)選擇大尺寸的密封圈時(shí)，拉伸率的考慮也優(yōu)為重要。在密封槽的設(shè)計(jì)上還需要考慮檢漏點(diǎn)以方便日常檢漏；通常設(shè)計(jì)人員把檢漏點(diǎn)、加工刀具下刀點(diǎn)、拆卸工具入口點(diǎn)設(shè)計(jì)為一點(diǎn)。

3 真空腔體的密封檢漏要點(diǎn)

半導(dǎo)體真空腔體的靜態(tài)密封性是否達(dá)到規(guī)定要求，需要基于檢漏結(jié)果來(lái)判斷。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，造成真空腔體真空度不達(dá)標(biāo)的原因主要有三種:其一是真空泵使用無(wú)效，此時(shí)有效抽氣量不達(dá)標(biāo)會(huì)引發(fā)真空狀態(tài)不佳；其二是存在放氣現(xiàn)象，無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)真空度；其三是存在漏氣現(xiàn)象，難以保證真空腔體維持真空狀態(tài)。若存在漏氣問(wèn)題，則真空腔體上必然會(huì)出現(xiàn)漏孔，那么優(yōu)化和修復(fù)漏孔將成為檢漏工作的重點(diǎn)[3]。實(shí)際上，所謂真空腔體檢漏就是對(duì)漏氣位置、漏孔大小和漏氣程度進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程。若漏氣時(shí)，氣體經(jīng)漏孔或空隙從高壓向低壓移動(dòng)，則表明真空腔體存在實(shí)漏；反之，若出現(xiàn)氣體流出引發(fā)的氣壓升高，則意味著真空腔體存在虛漏，虛漏問(wèn)題大多由材料解析、放氣和凝結(jié)氣體再蒸發(fā)引起。

3.1 漏率檢測(cè)法 相比于半導(dǎo)體真空腔體的真空度能否達(dá)標(biāo)，設(shè)備使用者往往更加重視其標(biāo)準(zhǔn)真空度能否得到有效保持。即是說(shuō)，在半導(dǎo)體工藝制造環(huán)節(jié)，保證半導(dǎo)體真空腔體的持久真空才是工作重點(diǎn)。為此，相關(guān)工作人員應(yīng)該提高半導(dǎo)體真空腔體密封性檢測(cè)，為提高真空腔體的密封保持能力奠定基礎(chǔ)。檢測(cè)密封性時(shí)，最為重要的一項(xiàng)檢測(cè)方法就是漏率檢測(cè)。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)制造者出現(xiàn)檢漏需求時(shí)，會(huì)首選漏率檢測(cè)。這種方法有著良好的直觀性、可靠性、無(wú)污染性和經(jīng)濟(jì)性，能夠充分滿(mǎn)足人們的真空檢驗(yàn)要求。

若已知漏氣處的兩側(cè)壓差，那么單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)漏氣處的給定溫度氣體量就是漏率，在真空領(lǐng)域當(dāng)中漏率與壓力存在直接關(guān)系，可用公式Q=CPn來(lái)表達(dá)。其中，以Q代表漏孔漏氣率，以P代表系統(tǒng)內(nèi)的壓力表的壓強(qiáng)值，而漏孔結(jié)構(gòu)的待定常數(shù)則以C和n來(lái)表達(dá)。

當(dāng)開(kāi)展半導(dǎo)體真空腔體檢漏時(shí)，操作人員應(yīng)基于從上到下、從外到內(nèi)的原則開(kāi)展檢測(cè)工作。此時(shí)，最先進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)的就是水冷管道，隨后應(yīng)根據(jù)真空腔體的機(jī)構(gòu)依次開(kāi)展密封圈、密封面、密封墊連接處、焊縫處的真空檢測(cè)，從而保證真空腔體檢漏的全面性。若檢測(cè)過(guò)程中找到漏氣點(diǎn)，那么相關(guān)工作人員需要進(jìn)行謹(jǐn)慎處理。比如，真空狀態(tài)下嚴(yán)禁操作人員直接擰緊漏點(diǎn)螺釘；當(dāng)真空腔體放氣至大氣壓狀態(tài)才能擰緊螺釘。當(dāng)然，擰緊漏氣處螺釘后，還需再次開(kāi)展抽氣檢漏工作，以免螺釘在大氣壓狀態(tài)下卡死。為保證密封效果，密封圈與密封面必須保持光滑且密封紋路必須沿著密封圈圓弧方向，若存在刮劃痕跡則必須立刻替換新的密封圈，以免因部件質(zhì)量問(wèn)題引發(fā)泄漏。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)后，相關(guān)工作需要基于所獲數(shù)據(jù)對(duì)真空腔體的密封性進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。比如，漏率=10-7Pa·L/s時(shí)，代表真空腔體密封性良好；若漏率處于10-7Pa·L/s和10-6Pa·L/s之間時(shí)，代表真空腔體密封性處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)內(nèi)；若漏率超過(guò)了10-6Pa·L/s，則代表著真空腔體密封性不佳，存在明顯的氣體泄漏情況。

3.2 靜態(tài)升壓法 這種方法同樣是真空腔體密封性檢測(cè)的常用方法，借助于靜態(tài)升壓法才能確定真空腔體是否存在良好的密封性，可以說(shuō)此方法屬于判斷真空腔體真空度的必要條件。在應(yīng)用時(shí)，操作人員需要將待檢測(cè)的真空腔體抽空到真空狀態(tài)，然后再通過(guò)關(guān)閉閥門(mén)來(lái)隔絕容器和真空泵；此時(shí)，使用真空計(jì)測(cè)量壓力變化值，可以準(zhǔn)確地計(jì)算總漏率，從而確定真空腔體的密封性。通常來(lái)說(shuō)，基于靜態(tài)升壓法測(cè)量真空腔體密封性時(shí)，相關(guān)工作人員需要以平均10分鐘/次的頻率記錄壓力變化，然后基于(末次壓力-首次壓力)/60來(lái)計(jì)算升壓率。

結(jié)論

總而言之，只有真空腔體的靜態(tài)密封性與半導(dǎo)體系統(tǒng)設(shè)備的密封性要求相符，才能保證該部件的應(yīng)用有效性，以及半導(dǎo)體制造工藝的順利使用。在實(shí)踐工作當(dāng)中，相關(guān)工作人員需要從材料選擇、密封槽設(shè)計(jì)、密封圈安裝等方面著手提高真空腔體的靜態(tài)密封性能；還需要科學(xué)的選擇檢漏方法:檢測(cè)漏率、檢測(cè)壓升率來(lái)保證半導(dǎo)體腔體檢漏的有效性。