氦氣純度低導(dǎo)致PVD腔室冷泵異響問(wèn)題的分析方法

武學(xué)偉 WU Xue-wei；劉春光 LIU Chun-guang；李伯 LI Bo

（①北京北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司，北京 100176；②北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621）

0 引言

冷泵在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的聲音，當(dāng)出現(xiàn)雜亂的聲響，或者冷泵無(wú)法啟動(dòng)時(shí)，可能的原因有：冷頭活塞變形與氣缸的摩擦增大；冷泵冷頭內(nèi)有油脂；氦氣不純等。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題和處理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，介紹通過(guò)RGA原理來(lái)分析氦氣純度不足導(dǎo)致冷泵無(wú)法啟動(dòng)或冷泵異響問(wèn)題。

圖1 冷泵結(jié)構(gòu)示意圖

1 測(cè)試原理

利用RGA（殘余氣體分析儀）的功能分析待檢氦管中氦氣的氣體成份。

第一步：將測(cè)試平臺(tái)腔體抽至mtorr級(jí)別，并保證真空度在選用的RGA允許的量程內(nèi)；

第二步：將待檢氦氣管路中的氦氣通過(guò)測(cè)試平臺(tái)的MFC向測(cè)試平臺(tái)內(nèi)充1sccm的氣量；

第三步：RGA開(kāi)始工作記錄此時(shí)測(cè)試平臺(tái)內(nèi)部的氣體成份流量，通過(guò)流量變化圖評(píng)估待檢氦管內(nèi)的氦氣是否為高純氦氣。

2 準(zhǔn)備條件

測(cè)試平臺(tái)按照?qǐng)D2已經(jīng)搭建完成（若沒(méi)有測(cè)試平臺(tái)可借用現(xiàn)有的機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)替代測(cè)試平臺(tái)）；

圖2 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

無(wú)問(wèn)題氦管1根（氦氣純度滿足99.999%）；

待檢測(cè)的氦管樣本若干根，本次試驗(yàn)選用4根管路進(jìn)行說(shuō)明，樣本盡量包含系統(tǒng)中所有管路，生產(chǎn)批次和月份范圍盡量廣泛。（表1）

表1 待檢氦管樣本

3 測(cè)試思路

通過(guò)RGA測(cè)試三組場(chǎng)景下的氣體成份分析進(jìn)行對(duì)比，從氣體成份數(shù)據(jù)變化判定待檢氦管內(nèi)氦氣是否是高純氦；場(chǎng)景一：初始環(huán)境，測(cè)試平臺(tái)氣體成份：目的排除腔室和工裝本體的干擾；場(chǎng)景二：無(wú)問(wèn)題氦管氣體成份：用來(lái)與待檢樣本He管對(duì)比；場(chǎng)景三：待檢測(cè)的氦管樣本氣體成份。

圖3 氦管連接工裝

4 測(cè)試方案

4.1 初始環(huán)境分析

①打開(kāi)調(diào)壓閥，打開(kāi)MFC，打開(kāi)氣動(dòng)隔膜閥，將測(cè)試平臺(tái)抽至1e-7Torr以下；

②連接并打開(kāi)RGA檢測(cè)測(cè)試平臺(tái)內(nèi)各氣體的流量；記錄初始環(huán)境的氣體成份。

從圖4曲線和流量可以看出初始環(huán)境中的氣體成份以Water、N2為主，但含量極低；He、O2、Ar含量更低。

圖4 初始環(huán)境各氣體流量圖示

4.2 無(wú)問(wèn)題氦管內(nèi)氣體成份分析

①關(guān)閉手動(dòng)調(diào)壓閥，關(guān)閉MFC；

②將無(wú)問(wèn)題的氦氣管接入圖2右側(cè)的氦管連接工裝上，如圖5；

圖5 氦管連接示意圖

③手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥壓力至15psi左右；

④打開(kāi)MFC給1sccm，RGA記錄了測(cè)試平臺(tái)內(nèi)氣體成份的變化，待RGA數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，關(guān)閉MFC平穩(wěn)一會(huì)；再次通過(guò)MFC給1sccm，通過(guò)變化的過(guò)程和穩(wěn)定的過(guò)程可以判斷被測(cè)試的氦氣管路內(nèi)部氣體成分；

⑤關(guān)閉手動(dòng)調(diào)壓閥，關(guān)閉MFC；

⑥拆除無(wú)問(wèn)題氦管，這時(shí)氦管連接工裝中還存在殘留氦氣，需要再次打開(kāi)氣動(dòng)隔膜閥、MFC將測(cè)試平臺(tái)重新抽真空至1e-7Torr以下。

從圖6曲線和流量得出的結(jié)論：無(wú)問(wèn)題氦管中只有高純He，滿足冷泵運(yùn)行要求。

圖6 無(wú)問(wèn)題氦管各氣體流量圖示

判定的依據(jù)：通過(guò)MFC給測(cè)試系統(tǒng)1sccm的流量后，通過(guò)RGA分析儀測(cè)試He的流量出現(xiàn)波峰，流量瞬間增大，其他成份Water、N2、O2、Ar沒(méi)有出現(xiàn)波峰，含量極低。

4.3 待檢樣本He管氣體成份分析

重復(fù)第二步的操作，分析待檢樣本He管的氣體成份，從圖7曲線和流量得出的結(jié)論：生產(chǎn)日期為202201**的零部件號(hào)為70xxxx-001的氦管N2的含量較大。

圖7 70xxxx-001氦管各氣體流量圖示

判定的依據(jù)：通過(guò)MFC給測(cè)試系統(tǒng)1sccm的流量后，通過(guò)RGA分析儀測(cè)試He和N2的流量出現(xiàn)波峰，流量瞬間增大，其他成份Water、O2、Ar沒(méi)有出現(xiàn)波峰，含量極低。

從圖8曲線和流量得出的結(jié)論：生產(chǎn)日期為202202**的零部件號(hào)為70xxxx-001的氦管N2的含量較大，含有一定的Ar；生產(chǎn)日期為202203**的管路中Ar的含量較大，同時(shí)含有一定的N2。

圖8 70xxxx-002氦管各氣體流量圖示

判定的依據(jù)：通過(guò)MFC給測(cè)試系統(tǒng)1sccm的流量后，通過(guò)RGA分析儀測(cè)試202202**的管路He和N2的流量出現(xiàn)波峰，流量瞬間增大；202203**的管路He、N2、Ar出現(xiàn)波峰。

5 測(cè)試結(jié)論

結(jié)論：從表2的數(shù)據(jù)可以證實(shí)是因?yàn)楹す苤泻獾募兌鹊蛯?dǎo)致的冷泵異響，通過(guò)更換測(cè)試合格的高純氦管，冷泵正常啟動(dòng)，異響問(wèn)題得到有效的解決。啟發(fā)：對(duì)于氦管零部件質(zhì)量控制需要對(duì)氦管制作工藝的整個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行潛在的風(fēng)險(xiǎn)分析，在質(zhì)檢環(huán)節(jié)增加過(guò)程檢測(cè)。

表2 樣本成份測(cè)試結(jié)果

6 說(shuō)明

本方法簡(jiǎn)單易操作，可以分析出氦管中是否含有其他成份，快速地鎖定由于氦氣純度不夠?qū)е碌睦浔卯愴懟驘o(wú)法啟動(dòng)問(wèn)題，但只限于排除或確定是由于氦氣的純度低造成的冷泵異響，不能排除其他方面的原因。所以借鑒本方法時(shí)要有針對(duì)性的應(yīng)用。