陳 林，茅嶺峰

（江蘇神通閥門股份有限公司，江蘇啟東 226232）

0 引言

我國從1956 年開始發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，盡管幾十年來取得的進(jìn)步有目共睹，但與世界先進(jìn)水平的差距始終沒有縮小，關(guān)鍵零部件、集成電路的材料和裝備市場份額都很小，對外依賴程度高，技術(shù)高密集的上游材料加工技術(shù)落后，核心的生產(chǎn)制造設(shè)備，如光刻機(jī)、刻蝕機(jī)和薄膜沉積等設(shè)備的國產(chǎn)化程度很低。以晶圓加工為例，8 寸和12 寸硅片仍以進(jìn)口為主，8 寸硅片國產(chǎn)化率為10%，12 寸硅片國產(chǎn)化率僅為1%～2%，其中生產(chǎn)制造設(shè)備中所用的各種閥門幾乎全部為進(jìn)口［1］。

半導(dǎo)體制造設(shè)備中所用的閥門存在2 個(gè)主要的特點(diǎn)，即超潔凈和超真空。超潔凈是指閥門在動(dòng)作一定的次數(shù)后，內(nèi)部單位面積上所產(chǎn)生的微小顆粒（粒徑小于0.5 μm）數(shù)量在一定的數(shù)值范圍內(nèi)。目前該指標(biāo)國際上尚無公開標(biāo)準(zhǔn)，為國外閥門企業(yè)所保密。超真空是指閥門的工作壓力最小可到1×10-18Pa。

目前，國內(nèi)對于半導(dǎo)體制造設(shè)備上所用的閥門研究非常少。電子科技大學(xué)基于國家重大科技專項(xiàng)“低粒子高真空閥門的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”對其中的插板閥開展了一系列的研究，陳志華［2］設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)插板閥結(jié)構(gòu)，認(rèn)為橡膠磨損是閥門內(nèi)部產(chǎn)生粒子的主要原因，并從橡膠的材料、厚度、溫度、壓縮率、密封角度等方面對橡膠的磨損情況開展仿真分析。劉繪生［3］在分析了不同粒子測量方式后選定了光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器作為測量方案并設(shè)計(jì)了一套完整的測控平臺(tái)，滿足了粒徑為0.5 μm以上的粒子分布檢測需求。彭川桃［4］針對影響超高真空角閥的金屬密封圈密封特性的因素進(jìn)行了分析和研究，通過優(yōu)化改進(jìn)，使密封圈在室溫下達(dá)到了8.5×10-11Pa·m3/s 的密封要求。

除此之外，國內(nèi)更多的是針對真空環(huán)境下的通用閥門開展研究。齊大偉等［5］針對航空用DN4500 大口徑真空插板閥在結(jié)構(gòu)、控制等方面存在的弊端進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了分體結(jié)構(gòu)、獨(dú)立運(yùn)行軌道、增設(shè)自動(dòng)超壓裝置和離合器等改進(jìn)，滿足了其穩(wěn)定可靠運(yùn)行。郭志權(quán)等［6］對全金屬超高真空插板閥在閥桿和上蓋法蘭、上蓋法蘭與殼體、閥板密封三處的金屬密封方案進(jìn)行了分析和比較。侯峰偉等［7］分析了各類真空閥門的特點(diǎn)，并結(jié)合某高超聲速風(fēng)洞工程工藝的特殊要求，設(shè)計(jì)了適合該工藝要求的大口徑真空插板閥。唐金鑫等［8］以集成電路用超潔凈氣動(dòng)液體隔膜閥為例，對其結(jié)構(gòu)工作原理和關(guān)鍵密封件進(jìn)行了論述，并基于氟塑料從原料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、加工工藝和產(chǎn)品性能4 個(gè)方面分析了超潔凈氣動(dòng)液體隔膜閥生產(chǎn)需要解決的問題。張青帥［9］申請的一種高真空插板閥專利通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使閥板與密封圈橫向貼緊，將介質(zhì)通道與外部完全隔絕。另外國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在超高真空插板閥的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、故障分析與狀態(tài)檢測方面也有少量研究。謝輝［10］申請的一種適用于真空腔體壓力控制的鐘擺閥結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)的人工擰緊控制閥板，采用氣缸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制閥板。目前國內(nèi)關(guān)于半導(dǎo)體制造裝備用閥門的產(chǎn)品較少，新萊集團(tuán)已經(jīng)開發(fā)出了電子特氣和相關(guān)制造設(shè)備配套的特種閥門，部分閥門的啟閉次數(shù)可達(dá)500 萬次。紹興普萊美特和江蘇神通也在開展相關(guān)產(chǎn)品的研制。

國外有關(guān)半導(dǎo)體制造裝備用閥門研究的報(bào)道也較少，如JOU 等［11］針對半導(dǎo)體超真空閥門在常壓和超真空狀態(tài)下粒子的尺寸和分布測試方法進(jìn)行了分析比較，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著閥門啟閉次數(shù)的增加，粒子的尺寸逐漸增加、分布逐漸集中，但是不同的測試方法之間存在較大的差異，粒子的產(chǎn)生機(jī)理仍不明確。SONDEREGGER 等［12］研制了一款DN40 的高頻開啟的超高真空閘閥，在不同的壓差下通過10 000 f/s 的高速攝像機(jī)對其啟閉時(shí)間進(jìn)行測試，結(jié)果表明啟閉時(shí)間都能達(dá)到4.6 ms 以內(nèi)。日本株式會(huì)社開滋SCT［13］申請了一種金屬隔膜閥，適用于ALD 工藝，其結(jié)構(gòu)簡單，即使在高溫流體流過時(shí)將閥以1 000 萬次水平開閉后，也能夠良好地減少因樹脂制閥座老化變形帶來的CV 值變動(dòng)，具備較高的耐久性。雖然國外關(guān)于半導(dǎo)體制造裝備用閥門的研究報(bào)道較少，但是相關(guān)的產(chǎn)品比較多，如瑞士的VAT 公司就具備非常完整的半導(dǎo)體制造裝備用閥門產(chǎn)品線、Swagelok 公司長壽命和大流量的隔膜閥被廣泛用于ALD 工藝中。另外SMC，MKS 和IHARA 等公司也有相關(guān)產(chǎn)品介紹。

本文主要介紹半導(dǎo)體制造裝備用閥門特點(diǎn)、半導(dǎo)體芯片制造工藝、超高真空閥門研究現(xiàn)狀，總結(jié)半導(dǎo)體制造裝備用閥門的技術(shù)特點(diǎn)，指出半導(dǎo)體制造裝備用閥門國產(chǎn)化所面臨的主要挑戰(zhàn)及國產(chǎn)化發(fā)展建議。

1 半導(dǎo)體芯片制造工藝及設(shè)備

晶圓光刻加工過程如圖1 所示。

半導(dǎo)體芯片從晶圓到成品主要包括3 個(gè)工藝流程，分別為單晶硅片制造、前道工藝和后道工藝。其中單晶硅片制造工藝流程包括拉單晶、磨外圓、切片、倒角、磨削和拋光；前道工藝包括擴(kuò)散、薄膜沉積、光刻（見圖1）、刻蝕、離子注入、拋光、金屬化和測試；后道工藝包括背面減薄、晶圓切割、貼片、引線健合、模塑、切筋成型和最終測試。其中最典型的設(shè)備為光刻機(jī)、刻蝕機(jī)和薄膜沉積機(jī)3 種設(shè)備。光刻機(jī)：把氧化后的晶圓表面涂一層光刻膠，隨后對其進(jìn)行曝光，再通過顯影把電路圖顯示出來。刻蝕機(jī)：通過化學(xué)腐蝕的方式或等離子轟擊晶圓表面形成凹陷，光刻膠覆蓋的位置被保護(hù)，沒有覆蓋的位置被刻蝕，實(shí)現(xiàn)電路圖的轉(zhuǎn)移。薄膜沉積設(shè)備：物理氣相沉積用于形成各種金屬，聯(lián)通不同的器件和電路，以便進(jìn)行邏輯和模擬計(jì)算?；瘜W(xué)沉積用于形成不同金屬之間的絕緣層。

2 半導(dǎo)體超高真空閥門

圖2 示出半導(dǎo)體設(shè)備中閥門的典型配置。

圖2 半導(dǎo)體設(shè)備中閥門的典型配置Fig.2 Typical valve configuration in a semiconductor manufacturing equipment

按照閥門在設(shè)備中的用途主要分為3 類：（1）用于硅片傳輸系統(tǒng)的隔離閥。硅片在被送至中間的真空傳輸腔室前，先被送到Load-Lock 腔室，Load-Lock 腔室是一個(gè)較小的空間，以便于快速抽真空至和真空傳輸腔室同樣的真空水平。閥門在2 個(gè)大小腔室間起真空隔離作用。由于此類閥門需要讓硅片從中間穿過，因此其通道一般為矩形。由于硅片比較薄，僅為200 μm，還比較脆，在傳送過程中對振動(dòng)比較敏感，因此要求此類閥門能柔順啟閉。（2）用于控制工藝氣體通斷或造真空的隔離閥。硅片在沉積、光刻和刻蝕的過程中需要用到各類工藝氣體。此類閥門需要能夠保證和外界以及設(shè)備通道之間的隔離。（3）用于控制某些特殊工藝氣體流量的調(diào)節(jié)閥。此類閥門需要保證在特定時(shí)間間隔下進(jìn)行持續(xù)精準(zhǔn)的流量控制。

如圖3 所示，半導(dǎo)體制造設(shè)備中按閥門的具體結(jié)構(gòu)，主要分為金屬隔膜閥、鐘擺閥、閘閥、輸送閥、蝶閥、角閥等。

圖3 主要的半導(dǎo)體制造裝備用閥門類型Fig.3 Main valve types for the semiconductor manufacturing equipment

3 半導(dǎo)體制造裝備用閥門技術(shù)特點(diǎn)

3.1 高潔凈度要求

在半導(dǎo)體的制造過程中，無論是車間環(huán)境中粉塵還是機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件之間碰撞產(chǎn)生的粒子都有可能會(huì)影響最終的成品率。通常粒子的直徑只要達(dá)到元件線寬的1/10 即可導(dǎo)致元件產(chǎn)生致命缺陷，因此直徑為0.3 μm 的粒子就會(huì)影響晶圓生產(chǎn)，直徑為50 nm 的粒子即可造成某些制程觸發(fā)器元件的毀壞。

在閥門設(shè)計(jì)上，為了避免閥門在啟閉過程中產(chǎn)生的各類粒子掉落在閥體內(nèi)部，半導(dǎo)體制造裝備用閥門一般設(shè)計(jì)成橡膠軟密封結(jié)構(gòu)，并且要求能實(shí)現(xiàn)無摩擦啟閉。由于橡膠件會(huì)暴露在去除晶圓表面層的高腐蝕性蝕刻化學(xué)品中，密封圈一般采用氟醚橡膠（FKM），更為苛刻的條件下會(huì)采用全氟醚橡膠（FFKM）。FKM 具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、不受腐蝕性氣體影響和非導(dǎo)電性。FKM 通常做成密封條或者直接硫化至密封件上。

閥門內(nèi)件的粗糙度也有嚴(yán)格的制造要求，需要滿足在閥門流道內(nèi)部吹掃時(shí)，粒子無法堆積在內(nèi)部。通常采用光亮退火工藝以達(dá)到Ra0.8 要求、機(jī)械拋光以達(dá)到Ra0.25 要求和電拋光以達(dá)到Ra0.13 要求。

聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)在1997年3月推出的“國際教育標(biāo)準(zhǔn)分類”中將高等職業(yè)教育與普通高等教育并列劃分[1]．高等職業(yè)教育不是從屬于普通高等教育的更低層次的組成部分，而是一種獨(dú)立存在的教育類型．高等職業(yè)教育與普通高等教育不同的培養(yǎng)目標(biāo)從根本上決定了它們在選拔方式、培養(yǎng)目標(biāo)以及學(xué)習(xí)內(nèi)容等方面存在明顯差異．

閥門制造的整個(gè)過程需要在無塵車間進(jìn)行，其潔凈程度需要達(dá)到100 級(jí)甚至10 級(jí)。所有的閥門零件都需要用去離子水超聲波清潔系統(tǒng)進(jìn)行超高純清潔，并且在轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)前都需要進(jìn)行雙重包裝并真空密封于潔凈室袋中。

3.2 長壽命要求

半導(dǎo)體器件是按一定節(jié)拍流程化生產(chǎn)的。隔離類的閥門壽命一般要求20 萬次，而調(diào)節(jié)型的閥門壽命最高要求300 萬次。為了達(dá)到長壽命的要求，閥門需要實(shí)現(xiàn)無摩擦啟閉，因此閥門的啟閉通常分解成密封件脫開和運(yùn)動(dòng)兩個(gè)動(dòng)作。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能有效防止閥門在啟閉過程中產(chǎn)生各類粒子。以圖4中VAT公司鐘擺閥的關(guān)閉為例［16］，在開啟位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擺動(dòng)件在閥體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的過程中，擺動(dòng)件處于無摩擦狀態(tài)，即擺動(dòng)件和閥體及閥座之間不存在任何摩擦。到達(dá)關(guān)閉位置后執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)擺動(dòng)件和閥座之間未貼合，即閥門未形成密封狀態(tài)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼續(xù)動(dòng)作，推動(dòng)閥座貼合擺動(dòng)件，閥座上的密封圈被壓緊，閥門形成密封。在此過程中擺動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)和閥座的移動(dòng)是由同一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成驅(qū)動(dòng)的。

圖4 鐘擺閥的關(guān)閉過程Fig.4 The closing process of a pendulum valve

3.3 高密封要求

半導(dǎo)體制造過程中絕大部分是超高真空的環(huán)境，因此閥門對于密封性能的要求非常高。另外半導(dǎo)體制造過程中也用到很多特殊的工藝氣體，稱為電子特氣，主要包括硅烷等硅族氣體、PH3等摻雜氣體、CF4等蝕刻氣體、WF6等金屬氣相沉積氣體及其他反應(yīng)氣體和清洗氣體等。電子特氣絕大多數(shù)是有毒或劇毒氣體并且腐蝕性非常強(qiáng)，閥門必須有非常高的外密封性能，因此閥桿和閥蓋之間通常采用波紋管密封，并且閥門在關(guān)閉位置處需要設(shè)計(jì)鎖定結(jié)構(gòu)以確?？煽棵芊?。典型的半導(dǎo)體制造裝備用閥門密封性能要求見表1。

表1 半導(dǎo)體制造裝備用閥門密封性能要求Tab.1 Sealing requirements of valves for the semiconductor manufacturing equipment Pa·L/s

3.4 控制的精準(zhǔn)度要求

半導(dǎo)體薄膜沉積通常需要用到化學(xué)氣相沉積CVD 和原子層沉積ALD 技術(shù)，用于在芯片表面和分層之間形成各類薄而均勻的鍍膜，尤其是ALD工藝對腔室的真空度、反應(yīng)氣體壓力及比例的要求都比較高，控制不當(dāng)即可導(dǎo)致鍍膜質(zhì)量出現(xiàn)問題。

用在此類工藝系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥需要有精準(zhǔn)的位置和壓力控制，一般采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制響應(yīng)時(shí)間為0.1～0.45 s，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常另外集成了壓力傳感器、真空度傳感器和32 位控制模塊等。為了更好地和整個(gè)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，控制模塊上會(huì)配置多種I/O 及通訊接口，如ProfiBus，EtherCAT，DeviceNet，RS232，RS485 及Logic（Analog/TTL）。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)上集成了控制模塊，閥門的控制算法可以根據(jù)工藝要求直接內(nèi)置，如PID 算法、基于模型的控制算法和自適應(yīng)算法等。

4 國產(chǎn)化挑戰(zhàn)及展望

在全球化受阻、地緣政治摩擦加大的背景下，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須尋求提升國產(chǎn)化的路徑。但也需要認(rèn)識(shí)到，半導(dǎo)體設(shè)備所用閥門的國產(chǎn)化面臨著諸多挑戰(zhàn)。

（1）閥門的潔凈度控制。半導(dǎo)體設(shè)備在生產(chǎn)過程中對內(nèi)部環(huán)境的潔凈程度要求很高，如何使閥門在啟閉過程中避免產(chǎn)生微小粒子是保障整個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。目前國內(nèi)外雖對閥門啟閉過程中粒子的產(chǎn)生機(jī)理開展了一些研究，但是相關(guān)成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足指導(dǎo)生產(chǎn)的要求。因此，后續(xù)必須對該機(jī)理進(jìn)行深入研究，并將最終的成果固化到閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用等標(biāo)準(zhǔn)中。

（3）產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)尚未有關(guān)于半導(dǎo)體制造裝備用閥門的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅有JB/T 6446—2004《真空閥門》和GB/T 34878-2017《真空技術(shù) 閥門漏率測試》2 個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是其中的條款無法滿足當(dāng)前半導(dǎo)體制造裝備用閥門的要求，如JB/T 6446—2004 中規(guī)定的潔凈空氣和非腐蝕性氣體介質(zhì)工況就不適用于半導(dǎo)體設(shè)備的生產(chǎn)工藝。而GB/T 3487—2015 中泄漏量的測試范圍僅到10-5Pa·m3/s，也無法用于評(píng)價(jià)半導(dǎo)體制造裝備用閥門的泄漏水平。因此，閥門行業(yè)必須研究編制適用于半導(dǎo)體制造裝備用閥門的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對其適用工況、泄漏率水平、啟閉壽命次數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境的要求和閥門內(nèi)部清潔度的檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)等做出相應(yīng)規(guī)定。

盡管半導(dǎo)體制造裝備用閥門技術(shù)要求高并且缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是為了擺脫我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)受制于人的情況，國內(nèi)相關(guān)研究人員需集中力量進(jìn)行國產(chǎn)化研制。有以下建議供同行參考：1）先從隔離類閥門開始突破，后續(xù)再擴(kuò)展到調(diào)節(jié)類，隔離類閥門功能單一，結(jié)構(gòu)易于參考現(xiàn)有相關(guān)工業(yè)閥門的設(shè)計(jì)，相對更容易取得成果；2）建立半導(dǎo)體制造裝備用閥門國產(chǎn)化聯(lián)盟。半導(dǎo)體制造裝備用閥門的最終性能需要通過半導(dǎo)體生產(chǎn)線的實(shí)際檢驗(yàn)，因此閥門研制廠家、半導(dǎo)體設(shè)備制造商和芯片制造商需要相互聯(lián)合，打通上下游工藝參數(shù)、材料選用和性能測試的合作通道，才能共同加快半導(dǎo)體制造裝備用閥門甚至整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化進(jìn)程。