干式真空泵在半导体制造领域中的应用

干式真空泵是一种理想的泵种，以其抽速范围宽、抽气腔内无油及元件无摩擦、能耗低、耐腐蚀等优点得以广泛推广应用，如今已经成为微电子、半导体、精密加工、新能源装备等行业首选的真空获得设备。

因此近年来干式真空泵市场需求量越来越大，真空获得产品已经出现更新换代的趋势，大量的有油真空系统被无油真空系统所替代。以下介绍了干式真空泵在半导体行业的应用。

半导体产品的整个制造过程可分为：晶圆加工 - 氧化 - 光刻 - 刻蚀 - 薄膜沉积 - 互连 - 测试 - 封装等步骤，其中包括了上百个具体的工艺环节，大部分工艺环节需要在无油真空环境下进行，图1为半导体芯片制造的主要工艺流程图。

图1 半导体芯片的制造工艺流程

干式真空泵在半导体生产线上的应用主要分为进出样品腔（L/L腔）和工艺处理腔抽真空两部分。

在L/L腔抽真空过程中，真空泵面临的主要挑战是耐受高频大气冲击，以及要满足大规模制造对节省水/电/气以及安装空间提出的要求，因多级罗茨泵在控制体积，成本和节电方面表现优异，所以目前应用多以多级罗茨泵为主，对于较大型L/L腔抽真空则以罗茨+螺杆泵机组为宜。

工艺处理腔在预抽真空阶段要求从高压到低压的大抽速，对处理工艺介质要求一般，节能要求更高，可以靠变频泵及泵的多级结构来实现，如果单纯从节能角度上看，多级罗茨泵更具优势，但主要不利之处为多级泵结构复杂，不易获得大抽速，所以目前在大腔体（如平板显示行业）抽空中罗茨+螺杆泵机组或螺杆泵的应用更具普遍性。

在工艺腔工艺处理抽真空过程中，工艺腔中可能会产生粉尘及腐蚀性气体（如刻蚀工艺），抽真空对泵的要求是耐腐蚀（取决于工艺气体），耐制程产物（不仅要考虑物理特性，更要考虑其化学特性），工艺相对复杂，要求真空泵热稳定性高，处理粉尘能力强，能耗则为次要考虑因素，目前多通过精确控制泵体温度方式保证泵的长期稳定运行。

由于爪式干泵在处理粉尘、高轴扭矩以及整体泵温运行时相对稳定而更适合工艺腔工艺处理时抽气，例如在半导体线刻蚀处理工艺中，使用爪式干泵的适应性更高。

另外，由于工艺腔一般要求低压下具有高抽速，所以如果采用罗茨+干泵机组，则机组中的罗茨泵与前级干泵的配比会很大。

所以目前主流大多是采用罗茨+多级爪式干泵或罗茨+多级罗茨干泵的多级泵结构。

虽然在半导体线领域采用多级爪泵结构较多，但是在大腔体粗抽空阶段，也较多使用罗茨干泵机组。

螺杆泵在粗低真空段抽气效率要高于爪式泵和多级泵，对于大工艺腔体在预抽阶段抽气可采用螺杆泵或罗茨+螺杆泵机组；在半导体线工艺处理阶段抽气则以爪式泵、多级罗茨泵应用为多。

下面介绍在几个主要制造工艺环节中干泵的应用。

1） 硅片制造

见图1，硅片制造环节主要包括：拉单晶（单晶硅炉）、硅片精加工（研磨机）。

在硅片制造环节，真空泵遇到的工艺挑战主要是抽真空时气流中的巨量超细硅粉及氩气处理。

工艺流程及产品（单晶硅棒价值很高）真空泵的要求是可以稳定运行，便于维护保养，且维护成本可控。

2）刻蚀工艺

半导体刻蚀工艺基本工况与CVD 工艺类似，但工艺反应相较CVD 略轻，对泵的要求以粉尘为主要考量因素，工艺气体为次要因素（因工艺气体比较单一，无剧烈化学反应）。

真空泵同样被应用于L/L腔及工艺腔。L/L段抽真空泵的考量因素与CVD工艺一致，目前以多级罗茨泵为主。

工艺腔真空泵应用以爪式或多级罗茨泵为主，目前主流大多是采用罗茨+多级爪式干泵这种多级结构，但是因多级罗茨泵相对爪式+罗茨转子多级泵制造和维护成本更简单，目前市场应用有逐渐向多级罗茨泵转型的趋势。

螺杆泵与多级罗茨泵各有应用特点，多级罗茨泵的真空度高一些，螺杆泵在粗低真空段抽气效率高，适合大工艺腔体粗抽真空，还可以与罗茨泵配合抽低真空大腔体。

目前，干式真空泵的防腐防尘主要靠抽气工艺来调整和解决；如采用尽量控制泵腔内温度和降低粉尘浓度（吹扫工艺）来防腐及防尘泵腔内沉积。另外，在泵抽含粉尘气体时，用干燥气体吹轴封处（使轴封与轴之间产生间隙减少摩擦），使其形成气体密封保护。

目前在半导体领域推广的干泵主要为：多级罗茨泵、爪式泵和螺杆泵。

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