摘要：腔室气密性是影响集成电路（IC）装备真空腔室内流场均匀性的重要因素，腔室漏率数量级不高于
、极限真空度数量级不高于
，才能满足IC工艺的漏率要求. 本文用氦质谱检漏仪检测真空腔室泄漏情况，并将泄漏处逐一进行堵漏处理，使腔室气密性能达到IC装备的工艺要求. 用静态升压法计算得出腔室漏率为
，极限真空度为
，考虑用于实际生产的工艺腔室体积小
，而本实验腔室体积
较大，所以搭建的真空室可以满足IC装备的漏率要求.
关键词：真空腔室；氦质谱检漏仪；静态升压法；漏率
真空设备在电子产品如电子管、晶体管、半导体集成电路的生产与封装中应用广泛，真空腔室的漏气程度会影响腔室压力的测量和腔室内流场的均匀性. 系统漏率和极限压力是衡量真空系统气密性好坏的重要标志. 常用的气密性检测方法有气泡法、涂抹法、化学气体示踪检漏法（例如氦质谱仪、卤素检测仪、激光检测仪等）、压力变化法、流量法、超声波法等[1].
氦质谱检漏技术具有无毒、准确的特点，在真空检漏中使用广泛. 张红军等[2]使用氦质谱检漏技术对真空绝热深冷压力容器进行检漏；王建等[3]使用了氦质谱检漏仪对
汽轮机真空系统进行检漏；韩鹏等[4]使用氦质谱检漏技术对ITER导体真空系统进行检漏.
在IC装备真空腔室中，基片附近流场的均匀性是影响成膜的关键因素，工艺腔室的设计过程中，如何提高基片附近流场的均匀性是IC产业技术进步的一个主要问题[5]. 本文主要研究真空系统的检漏过程、气密性对腔室内流场均匀性的影响及腔室的漏率.
1 试验装置
真空腔室的检漏系统主要包括抽气系统和检漏系统. 如图1所示，真空系统由上盖、腔体、支撑底板、观察窗、承载台、焊接法兰口等部件组成；腔室内径
，高度，体积，全部采用304不锈钢制造. 本实验平台选用的是Edwards公司的罗茨泵GV80（泵3）和分子泵nEXT300（泵4），罗茨泵是干泵的一种，其优点是工作环境干净，没有油污. 由于实验平台的腔室不是很大，所以GV80罗茨泵可作为粗抽泵也可作为分子泵的前级泵. GV80罗茨泵的最大抽速可达
，分子泵nEXT300的最大抽速为
. 在腔室的法兰口上连接了一台皖仪SFJ-211氦质谱检漏仪，该检漏仪选用机械泵D16c（泵1）为前级泵，分子泵为Leybold TW70LS（泵2），最小检漏率为
. 抽真空时只使用干泵作为分子泵的前级泵，气密性检查时关闭干泵和分子泵，在已获得的真空环境直接使用氦质谱检漏仪. 在真空腔室的腔壁上安装一只INFICON的贝阿德-阿尔珀特皮拉尼真空计（P1）BPG400来测量腔室内的压力，它的量程为
到标准大气压. 在检漏仪的入口处安装了一只INFICON的皮拉尼PSG500（P2）来测量检漏口的压力，它的量程为到标准大气压；在排气口的管道上安装一只电阻规管（P3）测量分子泵排气口的真空值.
a.检漏连接图 b.检漏实物图
图1 真空腔室检漏系统
2 漏率对腔室流场均匀性的影响
为了探索真空腔室的漏率对腔室内压力测量的影响，设定不同气密性的腔室，漏率分别为
和
，往腔室内通入流量为
的
，在泵的抽速相同的条件下，当真空腔室的流场达到动态平衡时，利用同一只真空规管BPG400在腔室内的同一测量位置进行压力测量，LabVIEW自动采集到的压力数据制成压力随时间变化的曲线图，具体见图2.
漏率大；
漏率小
图2 漏率不同的腔室内压力随时间的变化
由图2可知，当腔室的漏率较大时，所测得的压力值波动比较明显
；同时，同位置处的压力值随时间变化更频繁. 因此要提高腔室内部气体流场的均匀性，必须提高真空系统的密封性、降低系统的漏率.
3 检漏
启动检漏仪之前应确保仪器已可靠接地. 将检漏口用专用堵头堵住，打开机箱后的电源，仪器开始启动. 完成启动后，设置检漏的技术参数，打开手动阀V8通过波纹管将检漏口与腔室连通. 打开泵组系统的电源，慢开阀V7对腔室粗抽气，当腔室压力达到几帕时，关闭阀V7. 打开阀V6，十几秒之后，启动分子泵，分子泵完全启动后再打开阀V5，对真空腔室精抽真空至腔室压力为
，关闭阀V5，关闭分子泵，待分子泵完全停止后，关闭阀V6. 按下氦质谱检漏仪面板上的开始键，待检漏仪信号值相对稳定再对腔室进行检漏. 真空腔室的拆装部件与焊接部分（如真空腔室上的动密封处）是检漏的重点，次序为自上而下，从靠近检漏仪的部分开始，由近及远，用氦气喷枪逐一进行喷吹检漏. 若腔室有泄漏，氦气会被吸入检漏系统内部并迅速进入检漏仪，检漏仪仪表指示的读数将指示检测处的漏率大小，及时采取措施进行补漏，在相同条件下对上述部件再做一次最终检漏.
为便于分析和对比，根据查阅的相关文献，将实验测量数据与泄漏程度的关系按漏率范围进行分类[5]，具体如表1所示.
表1 泄漏程度分类
真空腔室检漏的重点部位包括：腔盖上焊接的进气口、腔体上焊接的KF16法兰及观察窗、腔体底板上焊接的大法兰及动密封、真空泵入门口及法兰、与直线驱动器相连的法兰处、与feedthrough相连的小法兰处等.
按照表1的分类方法，对各检测部位的测量数据进行归类. 本次试验被检测部位共29余处，对该真空腔室的轴封部位进行了变工况复测，最终发现小泄漏点1处、中漏点2处，具体泄漏位置和主要数据见表2.
表2 腔室泄漏点在处理前后的对照
为了达到所需的实验条件，有效改善真空腔室的真空状况，对表2中的主要漏点进行了更换铜垫圈堵漏等处理，经过多次处理并检测，结果见表2. 在真空腔室堵漏前后均对腔室进行抽极限真空，堵漏前其极限真空为，而堵漏后的极限真空为
；结合表2数据可以看出堵漏处理后，真空腔室的气密性有了很大的提升.
4 系统漏率
使用氦质谱检漏仪对真空腔室各组件进行检漏后，还不能明确真空腔室的整体漏率. 根据具体情况，本次试验采用静态升压法测量腔室的漏率[6].
真空系统中漏气流量的平衡表示式如下[7]:
， （1）其中，
为真空腔室达到的压力；
为真空泵组的极限压力；
为真空腔室的有效抽速；为由腔室外部流向腔室内部的总漏率；
为真空腔室虚漏所形成的总“漏”率.
为实漏，也可称漏气，它是构件各零部件发生的气体泄漏，用来衡量个别部件漏率或总漏率. 表示真空腔室的虚漏，包括真空腔室部件材料表面的出气、腔室内材料的蒸气、从腔室壁渗透进腔室内的气体等. 真空腔室的放、漏气之间相互影响，真空会加剧材料放、漏气的速率和流量，漏、放气也会影响真空环境的获得，有时放气也可能是腔壁将要发生泄漏的先兆[8].
在检漏过程中，真空腔室与真空泵组是隔绝的，式（1）中的为零，于是有：
， （2）其中，
为真空腔室的体积；
为真空腔室密封所经历的时间；
为时间后真空腔室的压力.
对于动态真空系统，只要真空系统的平衡压力能够达到工作所要求的真空度，即使系统存在有泄漏，也可以认为系统是不漏的. 对于静态真空系统来说，在一定的时间段内，系统内的压力能维持在工作所允许的真空度以下，同样也可认为系统是不漏的[4].
在动态系统中，当时，方程（2）可改写成：
. （3）因此，为了满足工作压力
，要求不大于
.
静态系统（密封容器）中，若远小于，则系统的漏率为：
. （4）在完全密封所有接触面的情况下，对腔室抽真空使其内部压力低于外部大气压力. 考虑到材料放气的影响，对腔室进行抽极限真空和烘烤，最后关闭真空泵组. 采用静态升压法，对真空腔室的静压系统计算整体漏率[9]. 将真空腔室堵漏前、后分别抽至极限真空后，利用LabVIEW对真空腔室内压力进行自动数据采集. 将采集到的数据绘制成曲线，如图3所示.
图3 不同漏率下腔室的静态升压图
堵漏前，腔室内的压力沿着某条直线上升，说明该腔室还存在泄漏情况：当
时，；
时，
. 堵漏后，腔室内压力上升的速度非常平缓，可认为不漏：当时，；
时，
.
工艺腔室的体积计算如下：
.根据公式（4）计算得真空腔室堵漏前的漏率为
.根据公式（4）计算得真空腔室堵漏后的漏率为
.对氦质谱检漏仪检出的泄漏处进行堵漏处理后，真空腔室的漏率得到了明显的改善，计算得到的真空腔室堵漏后的整体漏率为. 考虑到实验腔室体积较实际生产工艺腔室体积大，因此本文所搭建的真空室满足IC装备的腔室漏率要求.
5 结论
通过氦质谱检漏仪对IC装备真空系统进行检漏，能快速准确地找到真空系统的泄漏部位，并能及时地对泄漏部位进行堵漏处理，使腔室漏率达到IC工艺漏率要求，对后续研究真空腔室内的热流场具有实际意义. 氦质谱检漏技术对于真空腔室的检漏实用性强，可在腔室泵组不停机的情况下进行多处检漏，且灵敏度高. 静压升压法只能估算真空系统的整体漏率，如何快速精确地测出真空系统的漏率是需要继续研究的问题.
