以GM制冷機(jī)為核心部件的低溫泵是一種超高真空獲得設(shè)備，憑借其自身的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于集成電路制造工藝與設(shè)備中。近年來(lái)，中國(guó)集成電路制造裝備及成套工藝快速發(fā)展，作為重要零部件的低溫泵需求量也隨之增大。本文介紹了國(guó)內(nèi)集成電路制造中進(jìn)口低溫泵產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)比了不同產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)。闡述了國(guó)產(chǎn)低溫泵進(jìn)軍集成電路制造業(yè)的歷程與現(xiàn)狀。

1、引言

　　集成電路(Integrated Circuit, IC)是指將各式電路微縮在芯片之內(nèi)，包含了模擬電路、數(shù)字電路及混合信號(hào)電路等[1]。集成電路制造一般包括硅片的制造、晶圓的制備及元器件的封裝電測(cè)[2]。常用的半導(dǎo)體集成電路制造方法有化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、濺射。離子注入是現(xiàn)代先進(jìn)的摻雜技術(shù)，摻雜離子在高電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下加速到較高的能量，然后注入半導(dǎo)體內(nèi)部[3]。

　　如今，微芯片制造中大約有四分之一的工藝是在真空或低壓中進(jìn)行的，其中包括光刻曝光、剝離和刻蝕系統(tǒng)、離子注入、濺射工藝、LPCVD、PECVD和快速熱處理等。真空反應(yīng)室需提供沒(méi)有污染氣體的工藝條件[4]。

　　集成電路制造工藝過(guò)程中產(chǎn)生的玷污有來(lái)自晶圓除氣的氮?dú)夂蛠?lái)自光刻膠掩蔽層釋放的氫氣。低溫泵是捕獲型的真空泵，采用極低溫將工藝氣體凍結(jié)或吸附在泵內(nèi)部，符合集成電路制造對(duì)清潔無(wú)油、大抽速、低振動(dòng)的高真空設(shè)備的需求。同時(shí)低溫泵具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，低故障率，可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行[5]。

2、低溫泵工作原理

　　低溫泵是通過(guò)低溫冷凝和低溫吸附來(lái)抽除氣體的真空泵，又稱冷凝泵。低溫泵的核心是低溫制冷機(jī)，常用的制冷機(jī)有G-M循環(huán)制冷機(jī)、索爾文循環(huán)制冷機(jī)、斯特林循環(huán)制冷機(jī)、布雷頓循環(huán)制冷機(jī)等。由于G-M制冷機(jī)工作壽命長(zhǎng)，常用作小型制冷機(jī)低溫泵的冷源[6]。

　　制冷機(jī)低溫泵與其它高真空獲得設(shè)備相比其對(duì)空氣、水蒸氣、氮?dú)狻�氬氣、氫氣抽氣速率大；可獲得的極限真空度高并且清潔無(wú)油；真空中無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，具有高穩(wěn)定性。

　　低溫泵在連續(xù)工作一定時(shí)間后，冷表面的沉積層變厚，吸附陣趨于飽和，抽速下降，抽氣容量接近最大值。此時(shí)需要停機(jī)后對(duì)一、二級(jí)冷板進(jìn)行加熱，同時(shí)輔助通入干燥熱氮?dú)鈦?lái)釋放所冷凝與吸附的氣體，通過(guò)前級(jí)機(jī)械泵將低溫泵釋放的氣體抽除，使低溫泵再次恢復(fù)到最佳抽氣狀態(tài)，重新進(jìn)行抽氣作業(yè)，這一過(guò)程就稱為低溫泵的再生[7]。

　　以PVD機(jī)臺(tái)常用的8英寸口徑低溫泵為例，圖1給出了低溫泵結(jié)構(gòu)剖面圖。一級(jí)冷板也稱為80 K冷傘，用于保護(hù)低溫板免受真空室的熱輻射[8]。制冷機(jī)一級(jí)冷頭通常工作在50 K~80K，用來(lái)冷卻一級(jí)冷板與防輻射屏。二級(jí)冷板內(nèi)表面粘有活性炭，用來(lái)冷凝和吸附氣體。制冷機(jī)二級(jí)冷頭通常工作在10 K左右，用來(lái)冷卻二級(jí)冷板。控制箱體內(nèi)部包含有制冷機(jī)電機(jī)與控制器電路板。

圖1 低溫泵結(jié)構(gòu)圖

　　1-泵殼；2-二級(jí)冷板；3-二級(jí)加熱器；4-二級(jí)溫度傳感器；5-安裝法蘭；6-一級(jí)冷板；7-防輻射屏；8-一級(jí)溫度傳感器；9-粗抽閥；10-一級(jí)加熱器；11-氦氣進(jìn)；12-控制箱體；13-遠(yuǎn)程監(jiān)控接口；14-電源接口；15-手操器接口；16-氦氣出；17-真空計(jì)；18-航空芯座；19-吹掃閥；

　　低溫泵控制器可獲得泵運(yùn)行溫度、真空度等系統(tǒng)狀態(tài)；可完成自動(dòng)再生控制，縮短停機(jī)再生時(shí)間；具有組網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，實(shí)現(xiàn)泵組間協(xié)同工作與接入主控制系統(tǒng)，提高設(shè)備集成度。

3、國(guó)外低溫泵產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，國(guó)內(nèi)集成電路制造用低溫泵產(chǎn)品仍由歐、美、日廠商所壟斷，口徑覆蓋200mm到400mm。市場(chǎng)主要被CTI與住友的低溫泵產(chǎn)品所占有。

　　3.1 CTI低溫泵產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

　　CTI Cryogenics是世界上設(shè)計(jì)制造低溫泵較早的企業(yè)，也是全球低溫泵一流的供應(yīng)商。2018年Atlas Copco集團(tuán)收購(gòu)了Brooks Automationg公司的低溫泵業(yè)務(wù)，并將此業(yè)務(wù)置于集團(tuán)旗下的Edwards子公司，低溫泵產(chǎn)品也正式更名為EDWARDS CTI-CRYOGENICS。

　　3.1.1 CTI On-Board系列低溫泵

　　上世紀(jì)八十年代，CTI推出了第一代On-Board系列低溫泵，口徑主要有100mm、200mm、250mm、290mm、300mm和400mm。具有以下特點(diǎn)：快速再生與泵組協(xié)同控制，縮短了停機(jī)再生時(shí)間以提高生產(chǎn)效率；具有穩(wěn)定的真空性能，以適應(yīng)變化的工藝條件；具有本地與遠(yuǎn)程監(jiān)控，支持預(yù)測(cè)性維護(hù)。圖2為On-Board低溫泵系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

圖2 CTI On-Board低溫泵系統(tǒng)組成

　　集成電路PVD機(jī)臺(tái)與濺射工藝常使用200mm口徑低溫泵，且工藝腔與傳輸腔至少各配置一臺(tái)。表1給出了On-Board 8F(200mm)口徑低溫泵的技術(shù)參數(shù)[9]。CTI全系列低溫泵集成的硬件均具有：手操器，粗抽閥，吹掃閥，安全閥，真空規(guī)，一、二級(jí)冷板溫度傳感器，一、二級(jí)冷板加熱器，信號(hào)輸出繼電器，RS-232通訊接口。

　　3.1.2 CTI On-Board IS系列低溫泵

　　進(jìn)入新世紀(jì)CTI推出了第二代On-Board IS系列低溫泵。這一代低溫泵最大的特點(diǎn)是氦氣供回氣壓力提高到400/200 psi，增加了制冷量與系統(tǒng)效率；泵控制器采用了單獨(dú)供電，不再受從氦壓縮機(jī)取電的限制；冷頭電機(jī)采用了調(diào)速控制，有效的縮短了泵的降溫時(shí)間。On-Board IS 8F低溫泵的完全再生時(shí)間小于90分鐘，快速再生時(shí)間小于35分鐘[10]，均優(yōu)于On-Board 8F低溫泵。得益于氦壓縮機(jī)技術(shù)的提升，從之前的1臺(tái)氦壓縮機(jī)可同時(shí)供給3臺(tái)On-Board 8F低溫泵，提高到1臺(tái)氦壓縮機(jī)可同時(shí)供給5臺(tái)On-Board IS 8F低溫泵。圖3為 On-Board IS低溫泵系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

圖3 CTI On-Board IS低溫泵系統(tǒng)組成

　　為滿足離子注入工藝不斷提升的需求，CTI先后推出了On-Board IS 250F、On-Board IS 250FE、On-Board IS 320F、On-Board IS 320FE、On-Board IS 320FX型號(hào)的低溫泵。表2給出了不同型號(hào)低溫泵的技術(shù)參數(shù)。由表可知，CTI低溫泵對(duì)于氫氣的抽速與容量不斷提升，以滿足工藝需求。

　　3.1.3 CTI On-Board IS XP低溫泵

　　On-Board IS XP低溫泵是CTI推出的最新型低溫泵。On-Board IS XP低溫泵為PVD應(yīng)用維持工藝潔凈的同時(shí)提供更大容量從而實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)能。On-Board IS XP低溫泵可增加鋁、氮化鈦、鈦和其它濺射應(yīng)用工藝等過(guò)程的混合氣體容量。與現(xiàn)有的On-Board IS低溫泵相比氬氣的抽氣容量提高了50%，氮?dú)獾某闅馊萘刻岣吡?5%。6臺(tái)低溫泵共用一個(gè)氦壓縮機(jī)使系統(tǒng)效率最大化。采用與On-Board IS低溫泵相同的智能系統(tǒng)控件、制冷和壓縮機(jī)技術(shù)、電子裝置和軟件，甚至，擁有與所有On-Board IS產(chǎn)品相同的物理接口。表3給出了On-Board IS 8F與On-Board IS 8F XP低溫泵性能參數(shù)(泵口處加防濺射板)的對(duì)比。

　　3.2 住友低溫泵發(fā)展現(xiàn)狀

　　住友低溫泵起步較晚，但發(fā)展非常之迅速，獲得了多項(xiàng)專利技術(shù)，并針對(duì)集成電路應(yīng)用進(jìn)行了多次技術(shù)改進(jìn)，其最新型低溫泵在國(guó)內(nèi)集成電路行業(yè)對(duì)CTI產(chǎn)品已造成一定的競(jìng)爭(zhēng)壓力。

　　3.2.1 Marathon CP 系列低溫泵

　　Marathon CP系列是住友第一代低溫泵產(chǎn)品，可應(yīng)用于半導(dǎo)體器件制造、平板顯示器制造、太陽(yáng)能制造以及各種涂層和熱真空系統(tǒng)。此系列低溫泵產(chǎn)品的控制器屬于選配部件。表4給出了CP-8LP(200mm)與CP-12(320mm)低溫泵的性能參數(shù)[11]。

　　3.2.2 SICERA低溫泵

　　SICERA是住友最新型低溫泵，使用了其專有的逆變器技術(shù)，降低了20%~30%的能源成本，從而節(jié)省了客戶使用開(kāi)銷并提高了生產(chǎn)效率，非常適合于半導(dǎo)體晶圓、平板顯示器及其它半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)。圖4為其具有專利技術(shù)的逆變系統(tǒng)構(gòu)成。此專利使用了冷頭與氦壓縮機(jī)的雙調(diào)速技術(shù)：低溫泵一級(jí)冷板溫度由制冷機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，從而取消了加熱器部件；根據(jù)低溫泵使用工況，通過(guò)控制氦壓縮泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)維持恒定的供氣壓差，達(dá)到節(jié)能目的。

圖4 住友低溫泵逆變系統(tǒng)組成

　　SICERA低溫泵標(biāo)配減壓閥、安全閥、粗抽閥、吹掃閥等部件，同樣具有泵頭集成的控制器，可完成低溫泵自動(dòng)再生等操作。表5給出了KZ-8L3C(200mm)PVD專用低溫泵與KZ-320L3SH(320mm)離子注入專用低溫泵的技術(shù)參數(shù)[12]。

　　3.3 CTI與住友低溫泵組網(wǎng)差異

　　CTI與住友低溫泵產(chǎn)品均可以使用多臺(tái)泵組網(wǎng)，構(gòu)成低溫泵組，實(shí)現(xiàn)集中與協(xié)同控制。CTI On-Board IS低溫泵組使用菊花鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)模式，采用RS-232C通訊標(biāo)準(zhǔn)。住友SICERA低溫泵組使用并行組網(wǎng)模式，采用RS-485通訊標(biāo)準(zhǔn)。通訊控制器與工控機(jī)間均采用RS-232C通訊標(biāo)準(zhǔn)。圖5給出了兩種組網(wǎng)模式的框圖。

圖5 CTI與住友低溫泵組網(wǎng)模式

4、國(guó)產(chǎn)低溫泵集成電路行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

　　國(guó)產(chǎn)低溫泵的發(fā)展已有10多年的歷史，國(guó)內(nèi)也誕生了多家可以自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)低溫泵的企業(yè)。國(guó)產(chǎn)不同口徑、用途的低溫泵已在多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用。800mm以上口徑低溫泵多用在大型空間環(huán)境模擬系統(tǒng)[13]、科研院所大科學(xué)工程等領(lǐng)域[14]。中小口徑低溫泵多應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、高真空工業(yè)系統(tǒng)等行業(yè)[15]。特種低溫泵應(yīng)用于對(duì)抽速、被抽氣體有特殊要求的場(chǎng)合[16]。

　　2014年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》，近年來(lái)，國(guó)家為了促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展先后出臺(tái)了[2000]18號(hào)文件、[2011]4號(hào)文件，實(shí)施了“國(guó)家科技重大專項(xiàng)”。在市場(chǎng)拉動(dòng)和政策支持下，我國(guó)集成電路的技術(shù)實(shí)力顯著增強(qiáng)：系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)能力與國(guó)際先進(jìn)水平的差距逐步縮小；集成電路封裝技術(shù)接近國(guó)際先進(jìn)水平；部分關(guān)鍵設(shè)備和材料實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有，離子注入機(jī)、刻蝕機(jī)、濺射靶材等進(jìn)入8英寸或12英寸生產(chǎn)線，同時(shí)也涌現(xiàn)出一批具備一定國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的骨干企業(yè)[13]。

　　國(guó)內(nèi)成熟的可生產(chǎn)集成電路制造用低溫泵的企業(yè)主要以浙江博開(kāi)機(jī)電科技有限公司與安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司為代表。博開(kāi)機(jī)電公司的產(chǎn)品主要應(yīng)用于真空鍍膜、平板顯示器件制造等行業(yè)。其產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是使用分離式的低溫泵控制器，在強(qiáng)磁場(chǎng)、高射頻環(huán)境中有一定優(yōu)勢(shì)。使用外部加熱毯完成再生加熱功能，升溫時(shí)間稍長(zhǎng)。

　　安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司作為“02重大專項(xiàng)”(極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝)子課題(超高真空冷泵研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化)的研制單位，在總體單位北方華創(chuàng)的帶領(lǐng)下，依托于其10余年研制、生產(chǎn)低溫泵的技術(shù)基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出適合于PVD、CVD、CAD下載、離子注入機(jī)臺(tái)所用的ICP200、ICP250、ICP320和ICP400型低溫泵。

　　萬(wàn)瑞冷電公司的低溫泵產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其它低溫泵產(chǎn)品類似，但其對(duì)于冷傘、吸附陣等關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，更符合集成電路制造對(duì)低溫泵抽速與抽氣容量的苛刻要求。表6給出了ICP250與ICP320低溫泵的主要技術(shù)參數(shù)。

　　ICP系列低溫泵具有集成式的控制器，其強(qiáng)大的功能可以保證低溫泵實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)行控制與再生流程，便捷的組網(wǎng)與通訊。ICP系列低溫泵通訊協(xié)議、機(jī)械安裝接口、使用方式、維保周期均與進(jìn)口低溫泵相一致，可實(shí)現(xiàn)完全無(wú)縫替換。

5、低溫泵發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的低溫泵產(chǎn)品性能在抽速、恢復(fù)時(shí)間、抽氣容量、再生周期、能耗等方面已經(jīng)不能完全滿足新工藝、新技術(shù)的需求。目前一臺(tái)氦壓縮機(jī)可供給6臺(tái)200mm口徑低溫泵使用，通過(guò)引入氦氣管理技術(shù)不僅可進(jìn)一步提高氦壓縮機(jī)的輸氣量，還能根據(jù)負(fù)荷變化高效的配置各低溫泵對(duì)于氦氣的使用[18]。集成電路制造機(jī)臺(tái)對(duì)于氫氣、氬氣的抽速與抽氣容量的要求越來(lái)越高，因此大抽速、大容量的低溫泵不但能滿足半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展需要，而且可延長(zhǎng)再生周期，提高生產(chǎn)效率[19]。通過(guò)引入氦壓縮機(jī)與冷頭雙變頻的技術(shù)，可極大的縮短低溫泵降溫時(shí)間，而且低溫泵一級(jí)冷板控溫用加熱器也不是必須的了[20]。低溫泵控制器向著集成度、智能化、網(wǎng)絡(luò)化更高的方向發(fā)展，優(yōu)化的控制算法使其可滿足不同工況與應(yīng)用環(huán)境。

6、結(jié)束語(yǔ)

　　國(guó)外低溫泵經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前迎來(lái)了技術(shù)革新期，進(jìn)一步滿足集成電路制造業(yè)更高的要求。國(guó)內(nèi)低溫泵產(chǎn)品的綜合性能與國(guó)外產(chǎn)品相比還有一定差距，因此，需要不斷的投入研發(fā)并緊跟技術(shù)發(fā)展方向，才能實(shí)現(xiàn)集成電路裝備零部件的完全國(guó)產(chǎn)化。

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　　原文首發(fā)于《真空》雜志2022年第2期