氦氣純度低導致PVD腔室冷泵異響問題的分析方法

武學偉 WU Xue-wei；劉春光 LIU Chun-guang；李伯 LI Bo

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

0 引言

冷泵在工作時會產生有規律的聲音，當出現雜亂的聲響，或者冷泵無法啟動時，可能的原因有：冷頭活塞變形與氣缸的摩擦增大；冷泵冷頭內有油脂；氦氣不純等。本文結合實際生產過程出現的問題和處理經驗總結，介紹通過RGA原理來分析氦氣純度不足導致冷泵無法啟動或冷泵異響問題。

圖1 冷泵結構示意圖

1 測試原理

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：將測試平臺腔體抽至mtorr級別，并保證真空度在選用的RGA允許的量程內；

第二步：將待檢氦氣管路中的氦氣通過測試平臺的MFC向測試平臺內充1sccm的氣量；

第三步：RGA開始工作記錄此時測試平臺內部的氣體成份流量，通過流量變化圖評估待檢氦管內的氦氣是否為高純氦氣。

2 準備條件

測試平臺按照圖2已經搭建完成（若沒有測試平臺可借用現有的機臺結構替代測試平臺）；

圖2 測試平臺結構示意圖

無問題氦管1根（氦氣純度滿足99.999%）；

待檢測的氦管樣本若干根，本次試驗選用4根管路進行說明，樣本盡量包含系統中所有管路，生產批次和月份范圍盡量廣泛。（表1）

表1 待檢氦管樣本

3 測試思路

通過RGA測試三組場景下的氣體成份分析進行對比，從氣體成份數據變化判定待檢氦管內氦氣是否是高純氦；場景一：初始環境，測試平臺氣體成份：目的排除腔室和工裝本體的干擾；場景二：無問題氦管氣體成份：用來與待檢樣本He管對比；場景三：待檢測的氦管樣本氣體成份。

圖3 氦管連接工裝

4 測試方案

4.1 初始環境分析

①打開調壓閥，打開MFC，打開氣動隔膜閥，將測試平臺抽至1e-7Torr以下；

②連接并打開RGA檢測測試平臺內各氣體的流量；記錄初始環境的氣體成份。

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

圖4 初始環境各氣體流量圖示

4.2 無問題氦管內氣體成份分析

①關閉手動調壓閥，關閉MFC；

②將無問題的氦氣管接入圖2右側的氦管連接工裝上，如圖5；

圖5 氦管連接示意圖

③手動調節調壓閥壓力至15psi左右；

④打開MFC給1sccm，RGA記錄了測試平臺內氣體成份的變化，待RGA數據穩定后，關閉MFC平穩一會；再次通過MFC給1sccm，通過變化的過程和穩定的過程可以判斷被測試的氦氣管路內部氣體成分；

⑤關閉手動調壓閥，關閉MFC；

⑥拆除無問題氦管，這時氦管連接工裝中還存在殘留氦氣，需要再次打開氣動隔膜閥、MFC將測試平臺重新抽真空至1e-7Torr以下。

從圖6曲線和流量得出的結論：無問題氦管中只有高純He，滿足冷泵運行要求。

圖6 無問題氦管各氣體流量圖示

判定的依據：通過MFC給測試系統1sccm的流量后，通過RGA分析儀測試He的流量出現波峰，流量瞬間增大，其他成份Water、N2、O2、Ar沒有出現波峰，含量極低。

4.3 待檢樣本He管氣體成份分析

重復第二步的操作，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論：生產日期為202201**的零部件號為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：通過MFC給測試系統1sccm的流量后，通過RGA分析儀測試He和N2的流量出現波峰，流量瞬間增大，其他成份Water、O2、Ar沒有出現波峰，含量極低。

從圖8曲線和流量得出的結論：生產日期為202202**的零部件號為70xxxx-001的氦管N2的含量較大，含有一定的Ar；生產日期為202203**的管路中Ar的含量較大，同時含有一定的N2。

圖8 70xxxx-002氦管各氣體流量圖示

判定的依據：通過MFC給測試系統1sccm的流量后，通過RGA分析儀測試202202**的管路He和N2的流量出現波峰，流量瞬間增大；202203**的管路He、N2、Ar出現波峰。

5 測試結論

結論：從表2的數據可以證實是因為氦管中氦氣的純度低導致的冷泵異響，通過更換測試合格的高純氦管，冷泵正常啟動，異響問題得到有效的解決。啟發：對于氦管零部件質量控制需要對氦管制作工藝的整個環節進行潛在的風險分析，在質檢環節增加過程檢測。

表2 樣本成份測試結果

6 說明

本方法簡單易操作，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導致的冷泵異響或無法啟動問題，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。所以借鑒本方法時要有針對性的應用。