集成电路制造中低温泵的应用及产品发展现状
以GM制冷机为核心部件的低温泵是一种超高真空获得设备，凭借其自身的特点与优势，已广泛应用于集成电路制造工艺与设备中。近年来，中国集成电路制造装备及成套工艺快速发展，作为重要零部件的低温泵需求量也随之增大。本文介绍了国内集成电路制造中进口低温泵产品的技术发展现状，并对比了不同产品的技术特点。阐述了国产低温泵进军集成电路制造业的历程与现状。
1、引言
集成电路(Integrated Circuit, IC)是指将各式电路微缩在芯片之内，包含了模拟电路、数字电路及混合信号电路等[1]。集成电路制造一般包括硅片的制造、晶圆的制备及元器件的封装电测[2]。常用的半导体集成电路制造方法有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射。离子注入是现代先进的掺杂技术，掺杂离子在高电场和磁场作用下加速到较高的能量，然后注入半导体内部[3]。
如今，微芯片制造中大约有四分之一的工艺是在真空或低压中进行的，其中包括光刻曝光、剥离和刻蚀系统、离子注入、溅射工艺、LPCVD、PECVD和快速热处理等。真空反应室需提供没有污染气体的工艺条件[4]。
集成电路制造工艺过程中产生的玷污有来自晶圆除气的氮气和来自光刻胶掩蔽层释放的氢气。低温泵是捕获型的真空泵，采用极低温将工艺气体冻结或吸附在泵内部，符合集成电路制造对清洁无油、大抽速、低振动的高真空设备的需求。同时低温泵具有优良的稳定性，低故障率，可长期连续运行[5]。
2、低温泵工作原理
低温泵是通过低温冷凝和低温吸附来抽除气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵的核心是低温制冷机，常用的制冷机有G-M循环制冷机、索尔文循环制冷机、斯特林循环制冷机、布雷顿循环制冷机等。由于G-M制冷机工作寿命长，常用作小型制冷机低温泵的冷源[6]。
制冷机低温泵与其它高真空获得设备相比其对空气、水蒸气、氮气、氩气、氢气抽气速率大；可获得的极限真空度高并且清洁无油；真空中无任何运动部件，具有高稳定性。
低温泵在连续工作一定时间后，冷表面的沉积层变厚，吸附阵趋于饱和，抽速下降，抽气容量接近最大值。此时需要停机后对一、二级冷板进行加热，同时辅助通入干燥热氮气来释放所冷凝与吸附的气体，通过前级机械泵将低温泵释放的气体抽除，使低温泵再次恢复到最佳抽气状态，重新进行抽气作业，这一过程就称为低温泵的再生[7]。
以PVD机台常用的8英寸口径低温泵为例，图1给出了低温泵结构剖面图。一级冷板也称为80 K冷伞，用于保护低温板免受真空室的热辐射[8]。制冷机一级冷头通常工作在50 K~80K，用来冷却一级冷板与防辐射屏。二级冷板内表面粘有活性炭，用来冷凝和吸附气体。制冷机二级冷头通常工作在10 K左右，用来冷却二级冷板。控制箱体内部包含有制冷机电机与控制器电路板。
图1 低温泵结构图
1-泵壳；2-二级冷板；3-二级加热器；4-二级温度传感器；5-安装法兰；6-一级冷板；7-防辐射屏；8-一级温度传感器；9-粗抽阀；10-一级加热器；11-氦气进；12-控制箱体；13-远程监控接口；14-电源接口；15-手操器接口；16-氦气出；17-真空计；18-航空芯座；19-吹扫阀；
低温泵控制器可获得泵运行温度、真空度等系统状态；可完成自动再生控制，缩短停机再生时间；具有组网与远程监控接口，实现泵组间协同工作与接入主控制系统，提高设备集成度。
3、国外低温泵产品发展现状
目前，国内集成电路制造用低温泵产品仍由欧、美、日厂商所垄断，口径覆盖200mm到400mm。市场主要被CTI与住友的低温泵产品所占有。
3.1 CTI低温泵产品发展现状
CTI Cryogenics是世界上设计制造低温泵较早的企业，也是全球低温泵一流的供应商。2018年Atlas Copco集团收购了Brooks Automationg公司的低温泵业务，并将此业务置于集团旗下的Edwards子公司，低温泵产品也正式更名为EDWARDS CTI-CRYOGENICS。
3.1.1 CTI On-Board系列低温泵
上世纪八十年代，CTI推出了第一代On-Board系列低温泵，口径主要有100mm、200mm、250mm、290mm、300mm和400mm。具有以下特点：快速再生与泵组协同控制，缩短了停机再生时间以提高生产效率；具有稳定的真空性能，以适应变化的工艺条件；具有本地与远程监控，支持预测性维护。图2为On-Board低温泵系统组成结构。
图2 CTI On-Board低温泵系统组成
集成电路PVD机台与溅射工艺常使用200mm口径低温泵，且工艺腔与传输腔至少各配置一台。表1给出了On-Board 8F(200mm)口径低温泵的技术参数[9]。CTI全系列低温泵集成的硬件均具有：手操器，粗抽阀，吹扫阀，安全阀，真空规，一、二级冷板温度传感器，一、二级冷板加热器，信号输出继电器，RS-232通讯接口。
3.1.2 CTI On-Board IS系列低温泵
进入新世纪CTI推出了第二代On-Board IS系列低温泵。这一代低温泵最大的特点是氦气供回气压力提高到400/200 psi，增加了制冷量与系统效率；泵控制器采用了单独供电，不再受从氦压缩机取电的限制；冷头电机采用了调速控制，有效的缩短了泵的降温时间。On-Board IS 8F低温泵的完全再生时间小于90分钟，快速再生时间小于35分钟[10]，均优于On-Board 8F低温泵。得益于氦压缩机技术的提升，从之前的1台氦压缩机可同时供给3台On-Board 8F低温泵，提高到1台氦压缩机可同时供给5台On-Board IS 8F低温泵。图3为 On-Board IS低温泵系统组成结构。
图3 CTI On-Board IS低温泵系统组成
为满足离子注入工艺不断提升的需求，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型号的低温泵。表2给出了不同型号低温泵的技术参数。由表可知，CTI低温泵对于氢气的抽速与容量不断提升，以满足工艺需求。
3.1.3 CTI On-Board IS XP低温泵
On-Board IS XP低温泵是CTI推出的最新型低温泵。On-Board IS XP低温泵为PVD应用维持工艺洁净的同时提供更大容量从而实现最大产能。On-Board IS XP低温泵可增加铝、氮化钛、钛和其它溅射应用工艺等过程的混合气体容量。与现有的On-Board IS低温泵相比氩气的抽气容量提高了50%，氮气的抽气容量提高了25%。6台低温泵共用一个氦压缩机使系统效率最大化。采用与On-Board IS低温泵相同的智能系统控件、制冷和压缩机技术、电子装置和软件，甚至，拥有与所有On-Board IS产品相同的物理接口。表3给出了On-Board IS 8F与On-Board IS 8F XP低温泵性能参数(泵口处加防溅射板)的对比。
3.2 住友低温泵发展现状
住友低温泵起步较晚，但发展非常之迅速，获得了多项专利技术，并针对集成电路应用进行了多次技术改进，其最新型低温泵在国内集成电路行业对CTI产品已造成一定的竞争压力。
3.2.1 Marathon CP 系列低温泵
Marathon CP系列是住友第一代低温泵产品，可应用于半导体器件制造、平板显示器制造、太阳能制造以及各种涂层和热真空系统。此系列低温泵产品的控制器属于选配部件。表4给出了CP-8LP(200mm)与CP-12(320mm)低温泵的性能参数[11]。
3.2.2 SICERA低温泵
SICERA是住友最新型低温泵，使用了其专有的逆变器技术，降低了20%~30%的能源成本，从而节省了客户使用开销并提高了生产效率，非常适合于半导体晶圆、平板显示器及其它半导体相关产品的生产。图4为其具有专利技术的逆变系统构成。此专利使用了冷头与氦压缩机的双调速技术：低温泵一级冷板温度由制冷机电机转速控制，从而取消了加热器部件；根据低温泵使用工况，通过控制氦压缩泵电机转速来维持恒定的供气压差，达到节能目的。
图4 住友低温泵逆变系统组成
SICERA低温泵标配减压阀、安全阀、粗抽阀、吹扫阀等部件，同样具有泵头集成的控制器，可完成低温泵自动再生等操作。表5给出了KZ-8L3C(200mm)PVD专用低温泵与KZ-320L3SH(320mm)离子注入专用低温泵的技术参数[12]。
3.3 CTI与住友低温泵组网差异
CTI与住友低温泵产品均可以使用多台泵组网，构成低温泵组，实现集中与协同控制。CTI On-Board IS低温泵组使用菊花链式组网模式，采用RS-232C通讯标准。住友SICERA低温泵组使用并行组网模式，采用RS-485通讯标准。通讯控制器与工控机间均采用RS-232C通讯标准。图5给出了两种组网模式的框图。
图5 CTI与住友低温泵组网模式
4、国产低温泵集成电路行业应用现状
国产低温泵的发展已有10多年的历史，国内也诞生了多家可以自主设计、生产低温泵的企业。国产不同口径、用途的低温泵已在多个行业得到应用。800mm以上口径低温泵多用在大型空间环境模拟系统[13]、科研院所大科学工程等领域[14]。中小口径低温泵多应用于半导体制造、高真空工业系统等行业[15]。特种低温泵应用于对抽速、被抽气体有特殊要求的场合[16]。
2014年国务院发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，近年来，国家为了促进集成电路产业发展先后出台了[2000]18号文件、[2011]4号文件，实施了“国家科技重大专项”。在市场拉动和政策支持下，我国集成电路的技术实力显著增强：系统级芯片设计能力与国际先进水平的差距逐步缩小；集成电路封装技术接近国际先进水平；部分关键设备和材料实现从无到有，离子注入机、刻蚀机、溅射靶材等进入8英寸或12英寸生产线，同时也涌现出一批具备一定国际竞争力的骨干企业[13]。
国内成熟的可生产集成电路制造用低温泵的企业主要以浙江博开机电科技有限公司与安徽万瑞冷电科技有限公司为代表。博开机电公司的产品主要应用于真空镀膜、平板显示器件制造等行业。其产品的主要特点是使用分离式的低温泵控制器，在强磁场、高射频环境中有一定优势。使用外部加热毯完成再生加热功能，升温时间稍长。
安徽万瑞冷电科技有限公司作为“02重大专项”(极大规模集成电路制造装备及成套工艺)子课题(超高真空冷泵研发及产业化)的研制单位，在总体单位北方华创的带领下，依托于其10余年研制、生产低温泵的技术基础，开发出适合于PVD、CVD、CAD下载、离子注入机台所用的ICP200、ICP250、ICP320和ICP400型低温泵。
万瑞冷电公司的低温泵产品内部结构与其它低温泵产品类似，但其对于冷伞、吸附阵等关键部件进行了优化设计，更符合集成电路制造对低温泵抽速与抽气容量的苛刻要求。表6给出了ICP250与ICP320低温泵的主要技术参数。
ICP系列低温泵具有集成式的控制器，其强大的功能可以保证低温泵实现高效的运行控制与再生流程，便捷的组网与通讯。ICP系列低温泵通讯协议、机械安装接口、使用方式、维保周期均与进口低温泵相一致，可实现完全无缝替换。
5、低温泵发展趋势
随着集成电路制造技术的不断发展，现有的低温泵产品性能在抽速、恢复时间、抽气容量、再生周期、能耗等方面已经不能完全满足新工艺、新技术的需求。目前一台氦压缩机可供给6台200mm口径低温泵使用，通过引入氦气管理技术不仅可进一步提高氦压缩机的输气量，还能根据负荷变化高效的配置各低温泵对于氦气的使用[18]。集成电路制造机台对于氢气、氩气的抽速与抽气容量的要求越来越高，因此大抽速、大容量的低温泵不但能满足半导体制造技术的发展需要，而且可延长再生周期，提高生产效率[19]。通过引入氦压缩机与冷头双变频的技术，可极大的缩短低温泵降温时间，而且低温泵一级冷板控温用加热器也不是必须的了[20]。低温泵控制器向着集成度、智能化、网络化更高的方向发展，优化的控制算法使其可满足不同工况与应用环境。
6、结束语
国外低温泵经过几十年的发展，目前迎来了技术革新期，进一步满足集成电路制造业更高的要求。国内低温泵产品的综合性能与国外产品相比还有一定差距，因此，需要不断的投入研发并紧跟技术发展方向，才能实现集成电路装备零部件的完全国产化。
参考文献
[1] 张汝金等编著.纳米集成电路制造工艺[M].北京:清华大学出版社，2014:1~2.
[2] 张渊主编.半导体制造工艺[M].北京:机械工业出版社，2010:11~12.
[3] [美]施敏,梅凯瑞著.陈军宁,柯导明,孟坚译.半导体制造工艺基础[M].合肥:安徽大学出版社，2007:13.
[4] [美]Zant,P.V.著. 韩郑生译.半导体工艺制程实用教程(第六版)[M].北京:电子工业出版社，2015:254.
[5] 刘豪,张强,赵志昊等.半导体设备真空泵常见故障分析及维修[J].设备管理与维修，2020:4
[6] 高香院.现代低温泵[M].西安:西安交通大学出版社，1990:263.
[7] 冯欣宇,邓家良,曾环等.制冷机低温泵控制器设计[J].低温与超导，2019,47(7):24~25.
[8] 曾环,邓家良,孙志和.250mm口径低温泵设计[J].真空，2020,57(2):13~16.
[9] On-Board Cryopump Installation and Maintenance Manual. Part No.8040491.Brooks Automation Inc, 2013.
[10] Brooks-Cryogenics On-Board IS Cryopump Installation Manual. Part No.8040596.Brooks Automation Inc, 2013.
[11] Cryopump Product Catalogue. Sumitomo Heavy Industries, Ltd. 2012.
[12] SICERA CRYOPUMP. Sumitomo Heavy Industries, Ltd. 2012.
[13] 赵月帅,孙立臣,邵容平等.DN1250液氮屏蔽型制冷机低温泵的研制与性能测试[J].真空，2019,56(1):1~5.
[14] 李长春,朱小荣,蒙峻等.HIRFL-800低温泵快速再生系统研究[J].真空科学与技术学报，2018,38(6):450~454.
[15] 卢少波,王承章,张吉峰.低温泵在超高真空炉中的应用实例[J]. 真空科学与技术学报，2017,37(2):28~32.
[16] 柏树,杨建斌,颜昌林等.大口径抽氙气低温泵的研制[C].中国真空学会2014学术年会论文集，2014.
[17] 艾恩溪.解读集成电路产业发展推进纲要畅谈发展大计[J].集成电路应用，2014(12):4~5.
[18] Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryopump: US 20170198684 A1. Jul 13, 2017
[19] Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryopump, cryopumped gas amount estimation device, and cryopumped gas amount estimation method: US 20170276129 A1. Sep 28, 2017.
[20] Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Cryopump and method of operating the cryopump: US 20170145998 A1. May 25, 2017.
原文首发于《真空》杂志2022年第2期
