半导体制造装备用阀门技术发展现状

陈 林，茅岭峰

（江苏神通阀门股份有限公司，江苏启东 226232）

0 引言

我国从1956 年开始发展半导体产业，尽管几十年来取得的进步有目共睹，但与世界先进水平的差距始终没有缩小，关键零部件、集成电路的材料和装备市场份额都很小，对外依赖程度高，技术高密集的上游材料加工技术落后，核心的生产制造设备，如光刻机、刻蚀机和薄膜沉积等设备的国产化程度很低。以晶圆加工为例，8 寸和12 寸硅片仍以进口为主，8 寸硅片国产化率为10%，12 寸硅片国产化率仅为1%～2%，其中生产制造设备中所用的各种阀门几乎全部为进口［1］。

半导体制造设备中所用的阀门存在2 个主要的特点，即超洁净和超真空。超洁净是指阀门在动作一定的次数后，内部单位面积上所产生的微小颗粒（粒径小于0.5 µm）数量在一定的数值范围内。目前该指标国际上尚无公开标准，为国外阀门企业所保密。超真空是指阀门的工作压力最小可到1×10-18Pa。

目前，国内对于半导体制造设备上所用的阀门研究非常少。电子科技大学基于国家重大科技专项“低粒子高真空阀门的产业化开发”对其中的插板阀开展了一系列的研究，陈志华［2］设计了一种气动插板阀结构，认为橡胶磨损是阀门内部产生粒子的主要原因，并从橡胶的材料、厚度、温度、压缩率、密封角度等方面对橡胶的磨损情况开展仿真分析。刘绘生［3］在分析了不同粒子测量方式后选定了光学粒子计数器作为测量方案并设计了一套完整的测控平台，满足了粒径为0.5 µm以上的粒子分布检测需求。彭川桃［4］针对影响超高真空角阀的金属密封圈密封特性的因素进行了分析和研究，通过优化改进，使密封圈在室温下达到了8.5×10-11Pa·m3/s 的密封要求。

除此之外，国内更多的是针对真空环境下的通用阀门开展研究。齐大伟等［5］针对航空用DN4500 大口径真空插板阀在结构、控制等方面存在的弊端进行了优化设计，采用了分体结构、独立运行轨道、增设自动超压装置和离合器等改进，满足了其稳定可靠运行。郭志权等［6］对全金属超高真空插板阀在阀杆和上盖法兰、上盖法兰与壳体、阀板密封三处的金属密封方案进行了分析和比较。侯峰伟等［7］分析了各类真空阀门的特点，并结合某高超声速风洞工程工艺的特殊要求，设计了适合该工艺要求的大口径真空插板阀。唐金鑫等［8］以集成电路用超洁净气动液体隔膜阀为例，对其结构工作原理和关键密封件进行了论述，并基于氟塑料从原料、结构设计与优化、加工工艺和产品性能4 个方面分析了超洁净气动液体隔膜阀生产需要解决的问题。张青帅［9］申请的一种高真空插板阀专利通过特殊的结构设计，使阀板与密封圈横向贴紧，将介质通道与外部完全隔绝。另外国内相关企业在超高真空插板阀的特殊结构设计、故障分析与状态检测方面也有少量研究。谢辉［10］申请的一种适用于真空腔体压力控制的钟摆阀结构，摒弃了传统的人工拧紧控制阀板，采用气缸结构实现自动控制阀板。目前国内关于半导体制造装备用阀门的产品较少，新莱集团已经开发出了电子特气和相关制造设备配套的特种阀门，部分阀门的启闭次数可达500 万次。绍兴普莱美特和江苏神通也在开展相关产品的研制。

国外有关半导体制造装备用阀门研究的报道也较少，如JOU 等［11］针对半导体超真空阀门在常压和超真空状态下粒子的尺寸和分布测试方法进行了分析比较，试验结果表明，随着阀门启闭次数的增加，粒子的尺寸逐渐增加、分布逐渐集中，但是不同的测试方法之间存在较大的差异，粒子的产生机理仍不明确。SONDEREGGER 等［12］研制了一款DN40 的高频开启的超高真空闸阀，在不同的压差下通过10 000 f/s 的高速摄像机对其启闭时间进行测试，结果表明启闭时间都能达到4.6 ms 以内。日本株式会社开滋SCT［13］申请了一种金属隔膜阀，适用于ALD 工艺，其结构简单，即使在高温流体流过时将阀以1 000 万次水平开闭后，也能够良好地减少因树脂制阀座老化变形带来的CV 值变动，具备较高的耐久性。虽然国外关于半导体制造装备用阀门的研究报道较少，但是相关的产品比较多，如瑞士的VAT 公司就具备非常完整的半导体制造装备用阀门产品线、Swagelok 公司长寿命和大流量的隔膜阀被广泛用于ALD 工艺中。另外SMC，MKS 和IHARA 等公司也有相关产品介绍。

本文主要介绍半导体制造装备用阀门特点、半导体芯片制造工艺、超高真空阀门研究现状，总结半导体制造装备用阀门的技术特点，指出半导体制造装备用阀门国产化所面临的主要挑战及国产化发展建议。

1 半导体芯片制造工艺及设备

晶圆光刻加工过程如图1 所示。

半导体芯片从晶圆到成品主要包括3 个工艺流程，分别为单晶硅片制造、前道工艺和后道工艺。其中单晶硅片制造工艺流程包括拉单晶、磨外圆、切片、倒角、磨削和抛光；前道工艺包括扩散、薄膜沉积、光刻（见图1）、刻蚀、离子注入、抛光、金属化和测试；后道工艺包括背面减薄、晶圆切割、贴片、引线健合、模塑、切筋成型和最终测试。其中最典型的设备为光刻机、刻蚀机和薄膜沉积机3 种设备。光刻机：把氧化后的晶圆表面涂一层光刻胶，随后对其进行曝光，再通过显影把电路图显示出来。刻蚀机：通过化学腐蚀的方式或等离子轰击晶圆表面形成凹陷，光刻胶覆盖的位置被保护，没有覆盖的位置被刻蚀，实现电路图的转移。薄膜沉积设备：物理气相沉积用于形成各种金属，联通不同的器件和电路，以便进行逻辑和模拟计算。化学沉积用于形成不同金属之间的绝缘层。

2 半导体超高真空阀门

图2 示出半导体设备中阀门的典型配置。

图2 半导体设备中阀门的典型配置Fig.2 Typical valve configuration in a semiconductor manufacturing equipment

按照阀门在设备中的用途主要分为3 类：（1）用于硅片传输系统的隔离阀。硅片在被送至中间的真空传输腔室前，先被送到Load-Lock 腔室，Load-Lock 腔室是一个较小的空间，以便于快速抽真空至和真空传输腔室同样的真空水平。阀门在2 个大小腔室间起真空隔离作用。由于此类阀门需要让硅片从中间穿过，因此其通道一般为矩形。由于硅片比较薄，仅为200 µm，还比较脆，在传送过程中对振动比较敏感，因此要求此类阀门能柔顺启闭。（2）用于控制工艺气体通断或造真空的隔离阀。硅片在沉积、光刻和刻蚀的过程中需要用到各类工艺气体。此类阀门需要能够保证和外界以及设备通道之间的隔离。（3）用于控制某些特殊工艺气体流量的调节阀。此类阀门需要保证在特定时间间隔下进行持续精准的流量控制。

如图3 所示，半导体制造设备中按阀门的具体结构，主要分为金属隔膜阀、钟摆阀、闸阀、输送阀、蝶阀、角阀等。

图3 主要的半导体制造装备用阀门类型Fig.3 Main valve types for the semiconductor manufacturing equipment

3 半导体制造装备用阀门技术特点

3.1 高洁净度要求

在半导体的制造过程中，无论是车间环境中粉尘还是机械设备运动部件之间碰撞产生的粒子都有可能会影响最终的成品率。通常粒子的直径只要达到元件线宽的1/10 即可导致元件产生致命缺陷，因此直径为0.3 µm 的粒子就会影响晶圆生产，直径为50 nm 的粒子即可造成某些制程触发器元件的毁坏。

在阀门设计上，为了避免阀门在启闭过程中产生的各类粒子掉落在阀体内部，半导体制造装备用阀门一般设计成橡胶软密封结构，并且要求能实现无摩擦启闭。由于橡胶件会暴露在去除晶圆表面层的高腐蚀性蚀刻化学品中，密封圈一般采用氟醚橡胶（FKM），更为苛刻的条件下会采用全氟醚橡胶（FFKM）。FKM 具有良好的耐化学腐蚀性、耐热性、化学稳定性、不受腐蚀性气体影响和非导电性。FKM 通常做成密封条或者直接硫化至密封件上。

阀门内件的粗糙度也有严格的制造要求，需要满足在阀门流道内部吹扫时，粒子无法堆积在内部。通常采用光亮退火工艺以达到Ra0.8 要求、机械抛光以达到Ra0.25 要求和电抛光以达到Ra0.13 要求。

联合国教科文组织(UNESCO)在1997年3月推出的“国际教育标准分类”中将高等职业教育与普通高等教育并列划分[1]．高等职业教育不是从属于普通高等教育的更低层次的组成部分，而是一种独立存在的教育类型．高等职业教育与普通高等教育不同的培养目标从根本上决定了它们在选拔方式、培养目标以及学习内容等方面存在明显差异．

阀门制造的整个过程需要在无尘车间进行，其洁净程度需要达到100 级甚至10 级。所有的阀门零件都需要用去离子水超声波清洁系统进行超高纯清洁，并且在转运和存储前都需要进行双重包装并真空密封于洁净室袋中。

3.2 长寿命要求

半导体器件是按一定节拍流程化生产的。隔离类的阀门寿命一般要求20 万次，而调节型的阀门寿命最高要求300 万次。为了达到长寿命的要求，阀门需要实现无摩擦启闭，因此阀门的启闭通常分解成密封件脱开和运动两个动作。同时这种结构设计也能有效防止阀门在启闭过程中产生各类粒子。以图4中VAT公司钟摆阀的关闭为例［16］，在开启位置执行机构带动摆动件在阀体内部运动的过程中，摆动件处于无摩擦状态，即摆动件和阀体及阀座之间不存在任何摩擦。到达关闭位置后执行机构停止转动，此时摆动件和阀座之间未贴合，即阀门未形成密封状态。执行机构继续动作，推动阀座贴合摆动件，阀座上的密封圈被压紧，阀门形成密封。在此过程中摆动件的转动和阀座的移动是由同一个执行机构完成驱动的。

图4 钟摆阀的关闭过程Fig.4 The closing process of a pendulum valve

3.3 高密封要求

半导体制造过程中绝大部分是超高真空的环境，因此阀门对于密封性能的要求非常高。另外半导体制造过程中也用到很多特殊的工艺气体，称为电子特气，主要包括硅烷等硅族气体、PH3等掺杂气体、CF4等蚀刻气体、WF6等金属气相沉积气体及其他反应气体和清洗气体等。电子特气绝大多数是有毒或剧毒气体并且腐蚀性非常强，阀门必须有非常高的外密封性能，因此阀杆和阀盖之间通常采用波纹管密封，并且阀门在关闭位置处需要设计锁定结构以确保可靠密封。典型的半导体制造装备用阀门密封性能要求见表1。

表1 半导体制造装备用阀门密封性能要求Tab.1 Sealing requirements of valves for the semiconductor manufacturing equipment Pa·L/s

3.4 控制的精准度要求

半导体薄膜沉积通常需要用到化学气相沉积CVD 和原子层沉积ALD 技术，用于在芯片表面和分层之间形成各类薄而均匀的镀膜，尤其是ALD工艺对腔室的真空度、反应气体压力及比例的要求都比较高，控制不当即可导致镀膜质量出现问题。

用在此类工艺系统中的调节阀需要有精准的位置和压力控制，一般采用伺服电机作为执行机构，控制响应时间为0.1～0.45 s，执行机构通常另外集成了压力传感器、真空度传感器和32 位控制模块等。为了更好地和整个设备进行协调工作，控制模块上会配置多种I/O 及通讯接口，如ProfiBus，EtherCAT，DeviceNet，RS232，RS485 及Logic（Analog/TTL）。由于执行机构上集成了控制模块，阀门的控制算法可以根据工艺要求直接内置，如PID 算法、基于模型的控制算法和自适应算法等。

4 国产化挑战及展望

在全球化受阻、地缘政治摩擦加大的背景下，中国半导体产业发展必须寻求提升国产化的路径。但也需要认识到，半导体设备所用阀门的国产化面临着诸多挑战。

（1）阀门的洁净度控制。半导体设备在生产过程中对内部环境的洁净程度要求很高，如何使阀门在启闭过程中避免产生微小粒子是保障整个半导体生产质量的关键所在。目前国内外虽对阀门启闭过程中粒子的产生机理开展了一些研究，但是相关成果还远远不能满足指导生产的要求。因此，后续必须对该机理进行深入研究，并将最终的成果固化到阀门的结构设计、材料选用等标准中。

（3）产品技术标准。目前国内尚未有关于半导体制造装备用阀门的产品技术标准，仅有JB/T 6446—2004《真空阀门》和GB/T 34878-2017《真空技术 阀门漏率测试》2 个技术标准，但是其中的条款无法满足当前半导体制造装备用阀门的要求，如JB/T 6446—2004 中规定的洁净空气和非腐蚀性气体介质工况就不适用于半导体设备的生产工艺。而GB/T 3487—2015 中泄漏量的测试范围仅到10-5Pa·m3/s，也无法用于评价半导体制造装备用阀门的泄漏水平。因此，阀门行业必须研究编制适用于半导体制造装备用阀门的产品技术标准，对其适用工况、泄漏率水平、启闭寿命次数、生产环境的要求和阀门内部清洁度的检测方法和标准等做出相应规定。

尽管半导体制造装备用阀门技术要求高并且缺乏技术标准，但是为了摆脱我国半导体产业受制于人的情况，国内相关研究人员需集中力量进行国产化研制。有以下建议供同行参考：1）先从隔离类阀门开始突破，后续再扩展到调节类，隔离类阀门功能单一，结构易于参考现有相关工业阀门的设计，相对更容易取得成果；2）建立半导体制造装备用阀门国产化联盟。半导体制造装备用阀门的最终性能需要通过半导体生产线的实际检验，因此阀门研制厂家、半导体设备制造商和芯片制造商需要相互联合，打通上下游工艺参数、材料选用和性能测试的合作通道，才能共同加快半导体制造装备用阀门甚至整个半导体产业的国产化进程。