真空原理2

第二章真空系统

在半导体的制程设备里，真空系统（Vacuum Systems）的应用可以说是非常的广泛。从薄膜沈积（Thin Film Deposition），干蚀刻（Dry Etching），离子植入（Ion Implantation）及微影（Lithography）等主要的制程设备，到扫描式电子显微镜（Scanning electron Microscope）和二次离子质量分析仪（Secondary Ion Mass Spectroscope）等半导体表面分析仪器，都需要真空系统来维持这些价格昂贵的机器于适合的环境（指压力）下操作。

溅镀法在进行沈积之前，为了防止其他杂质的影响，通常都先以高真空度帮浦，将反应室内的压力降到10-6Torr以下。接着再通入原子质量合宜的钝气，在压力约1～10m Torr的环境中，进行金属的溅镀。

第一节真空之定义

英文“Vacuum”，表示“Empty”或“Nothing”，空无一物，是佛家的境界，但在真空技术里，真空系针对大气而言，表示一特定空间内的部份气体被排出，其压力小于一大气压，通常称此空间为真空或真空状态。我们知道在海面上标准的状态下，一莫耳气体占有22.4升的体积，气体对气壁碰撞会产生压力，其大小为760毫米汞柱或称

760Torr，当容器内之气体被抽除，气体分子数目减少而处于真空状态。

在真空技术中，一密闭容器虽保持真空，但并非“真正的空”，也就是说真空并不表示里面全无气体分子;事实上以目前技术所及的超高真空状态，其中仍有为数可观的气体分子存在。

第二节真空之分类

（一）真空技术中，将真空依压力大小分为四个区域如下:

1.粗略真空（Rough vacuum）760～1Torr

2.中度真空（Medium vacuum）1～10-3Torr

3.高真空（High vacuum）10-3～10-7Torr

4.超高真空（Ultra-high vacuum）10-7Torr以下

（二）真空的产生可分为自然与人造两种，所谓的人造真空最早者如倒立的玻璃管水银柱如图2-1所示。

典型人造真空系统如图2-2所示，基本上包括真空邦浦，真空阀门，真空量测计、真空罩、真空管路、各种零组件。

而自然真空原本就存在于自然界，离地球表面越高，空气越稀薄，压力越低，在离第100公里的高度为高真空，在400公里则已是超高真空状态了如图2-3所示。

图2-1人造真空型式-托里拆利真空

图2-2人造真空系统示意图

（三）大气与大气压力

前面提到真空系针对大气而言，地球上之人造真空设备，在邦浦抽气前，真空器内充满了大气，使用过程中，又为大气所环绕，

因此了解大气之基本物理与化学性质是真空技术所必须。在常温

图2-3自然真空高度与压力关系实例

图2-4大气与真空状态下之分子数目

时，地球表面之气体以高速作随意方向的运动，因此在一密闭容器肉，气体分子与气体分子问及气体分子与器壁间随时有碰撞作用发生，其与器壁碰撞所造成的动量改变，使器璧承受一压力，在大气的情况下，

压力的大小为14.7psi或者760Torr，就是我们通称的一大气压

（1atm），如图2-4（a）所示。如果把容器内的气体用邦浦抽气，则压力下降，气体分子数目变少，如图2-4（b）示。

常见的所谓标准大气压，其定义为:在0℃时，大气施于760毫米水银柱的压力，水银柱之密度为13.595g/m3。

一标准大气压值随应用场合之不同而使用不同的压力单位，常见者如下示:

1标准大气压力=l atm

=760mmHg

=760Torr

=1.013x105Pa（Pascal〉

=1013mbar（毫巴，气象学常用单位〉

=14.7psi

=1.03327kg/cd

=7.6x l05micron

在真空技术中，压力单位以Torr，mbar，Pa的使用较为普遍。大气压力760Torr的产生是由于大气（或谓空气）的存在，大气是各种气体的混合，其中百分之九十九以上是氮气与氧气，而其他各种气体的总和还不到百分之一！这是一大气压的情形，如果使用真空邦浦对原本一大气的真空容器抽气，则其成份将随压力的大小而改变，比

如说氯气在一大气压估了78%，在低压的情况可能占10%左右，若约略估计，则在10-3Torr之压力，水气可能占了75%～95%的大小。表2-1是各种气体在一大气压及超高真空状态下体积百分比或分压的大小。

表2-1气体成分

第三节真空原理

“气态（Gas Phase）”是物质的分子间影响力最为微弱的一种状态。假如我们不考虑分子间的作用力（指“凡得瓦，Van der Waal Force”），这些气体分子在一个体积为V的容器内的行为，可以视为是理想气体（Ideal Gas），且可以（2-1）式来表示

pV=nRT（2-1）

其中n为气体分子数量，T为温度，R为气体常数，而P则为容器的压力。我们可以将（2-1）式进一步的写为

p=（n/V）RT（2-2）其中（n/V）项指的是容器内的气体分子浓度，或称为密度，单位为个/米3。当气体分子在容器内的浓度下降时，容器内的压力也就跟随着降低。这里所指的压力，是指容器壁表面因分子的撞击，在每个单位面积所承受的垂直力。其MKS制的单位为“牛顿/米2”。在真空工程上，我们通常以地球水平面的大气压力为参考压力来定义“1大气压（1atm）”，这相当于760毫米水银柱（mmHg）。而在半导体工业上，我们习惯以托耳（Torr）来做为压力的量测单位。1大气压相当于760托耳。

气体分子在容器内的行径是非常繁乱的，且披此互相撞击（Collision）。我们将气体分子与另一个气体分子产生撞击前所移动的距离称为“自由径（Free Path）”。因每个气体分子的自由径略有不同，我们取其平均值，因此称气体分子产生撞击前所移动的平均距离为“平均自由径（Man Free Path）”。以室温下的空气为例，空气分子间的平均自由径λ与压力p的关系可以写为，

λ=0.05/p（2-3）也就是说，当容器内的压力下降，因为气体分子的浓度降低（见（2-2）

式），气体分子的“平均自由径”也就增长了。

当气体分子所处的压力颇高时，气体分子的平均自由径λ将很

时，因为分子间将经历多次的碰撞，短。且当λ极小于容器壁的直径d

n

因此气体分子的运动或流动，与其他气体分子有很大的关系。这种气体流动的形式称为“黏性流动（Viscous Flow）”。而黏性流体亦可依此时气体流动的方式而分为“层流（Laminar Flow）”与“扰流（Turbulent Flow）”等两种。当容器内的压力降低，并使得分子的平均自由径大于容器壁的尺寸时（λ>d

），分子间的碰撞频率将下降，

n

而取代之的将是气体分子与容器壁的接触。这种流体则称为“分子流动（Molecular Flow）”。假如气体分子的平均自由径与容器的尺寸相当（λ≒d

），这种处于黏性流动与分子流动间的过渡性（Transition）

n

流动则称为“奴得森（Knudsen）流动”。CVD通常把容器内的反应压力控制在“层流”的区间，使分子间的碰撞得以发生，而产生反应以进行薄膜沈积，但又不会发生“扰流”特有的漩涡（Vortex）而影响沈积层的均匀度（Uniformity）;至于溅镀（Sputtering）与干蚀刻（Dry Etching），为了防止杂质对制程的影响，两者通常维持在非常低的基准压力下（Base Pressure）。但在进行反应时，为了利用电浆内分子与电子间的碰撞而产生离子，其操作的环境，将在“层流流动”及“奴得森流动”的区间内;而离子植入及电子显微镜等，为了预防

离子束与电子束遭受碰撞而分散（Scatter），其压力的操作便处于“分子流动”的范围。换句话说，为了使这些设备在较低分子浓度下操作，我们需要真空系统（Vacuum System）来降低反应器内的压力，使反应气体分子在合宜的流动方式下进行。

第四节系统装置

冷冻邦浦为高真空邦浦，在系统组合时，必须与粗抽邦浦配合使用，一般使用机械邦浦加冷冻邦浦，有时也可和无油气的吸附邦浦组合。

虽然机械邦浦有油气回流的问题，但事实上有很多冷冻邦浦的系统是和机械邦浦一同使用的，只要使用得当，油气污染可维持在要求以下而不造成阻碍，典型的冷冻邦浦系统组合如图2-5所示。

机械邦浦在系统中有两种用途，一是预抽真空室到转换点压力（Crossover pressure），另一是当冷冻邦浦再生后，作为其降温冷冻前之粗抽邦浦。

冷冻邦浦系统能产生无油污染、极干净的工作环境，这是它的特性，若由于机械邦浦而造成污染，则此优点就不存在了，而且如果工作腔室被油污染了，此油气在高真空阀打开时会飘进冷冻邦浦内部，

图2-5冷冻邦浦系统之组成

甚至会进入活性炭所在的部位。油气分子被活性炭吸附后会将其抽气用的细孔塞住，细孔设油气分子塞住后，即使再生也无法将其排除，这时活性炭就不再有抽气作用了，而整个冷冻邦浦第二级低温面需要更换，同时系统也要彻底清洁。

因此为了防止油气的污染，如图2-5所示系统使用了油气捕捉阱于抽气管路上。有些冷冻邦浦系统在真空室及机械邦浦之间没有接过滤器，在此情况下，若真空室粗抽时压力不要抽到低于150或200miliTorr，仍不会有问题，因在此压力范围气体运动仍呈黏滞流现象，气体分子运动都是朝单一方向，所以不会有油蒸气回流发生，如果粗抽压力太低，气体运动进入过渡区域（Transition flow）甚至分子流区域时，油气分子就可飘进真空室了，所以在较高压力时就需把粗油阀关闭，改开高真空阀以使用冷冻邦浦抽气，这样方可减低

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油气污染至最低程度。

第五节真空技术的应用范围

真空技术的应用范团极为广泛，种类繁多，其应用涵盖各种工业领域，如机戚、电子、食品、化学、冶金等等，从较低层次的真空包装、文件或货物的输送、物品的干燥、浓缩储藏，到材料的精炼、烧结、熔接、热处理以及电子显微镜等分析仪器的使用，乃至高科技之粒子加速器与半导体电子工业等，不可尽数，图2-6很明确的显示了目前高度利用真空的产业项目与所需技术。

真空技术应用的重要性随时间因素而改变，最早期的灯泡工业，十几年前的真空冶金，乃至现在的半导电子工业，不同阶段的应用伴随着真空技术本身的发展，图2-7显示当真空技术的应用范圈逐渐扩充时，真空抽气邦浦的种类与技术亦不断增多与进步。

各种不同的真空技术应用与其所涉技术层次难易及该种应用领域发展到实用阶段时间长短的关系可用图2-8来表示。发展时间之长短与技术之难易并无直接的关系，而是由其需求性大小来决定。

第六节使用真空之目的

不论学术研究或工业应用，使用真空的目的，可概分为物理性与化学性两种，真空物理或化学特性如下:

图2-6高度利用真空的产业项目与所需技术灯泡、

影像管、IC 能量研究

电子管萤光灯、

真空冶金VLSI 电子工业真空蒸馏

电子元件新材料 1940年 1960年1950 1970年

1975年高科技工业时

代 二次世界大战前代表性真空工业油回转邦浦与小型扩散邦浦之使用使用大型扩散邦浦与喷射邦浦钢铁工业高度成长时期使用扩散邦浦以及鲁式邦浦技术密集工业时代使用离子邦浦、涡轮分子邦普及冷冻邦浦

图2-7真空技术应用之演变

图2-8真空技术应用发展与技术层次之关系

A.物理性

（1）分子数目少，压力低与大气压力造成压力差。

（2）分子密度小，气体稀薄。

（3）气体分子平均自由径长，相互间磁撞机会少。

（4）气体分子在物件表面之入射碰撞频率少，减少表面污染。

B.化学性

（1）造就一个非活性空间，避免不必要的化学反应产生污染。

（2）电子与离子伴随的化学反应，在大气压力下无法发生，但在真空状态下成为可能。

依据真空中的物理或化学特性，就可发展出各种不同的应用。表2.2列举了物理特性应用时之使用目的与其应用实例，而表2.3则显示在真空状态下化学现象的实际应用。

物理意义使用目的应用实例

低压力压力差真空输送带、真空成形、真空吸尘器

分子密度小有害气体之排除灯泡、真空包装、热处理、蒸馏

有害成分之去除干燥、脱水、脱氧、脱臭、脱氧铸造减少能量传递真空断热、瓶胆、太空模拟

平均自由径长避免碰撞电子管、加速器、电子显微镜、分子蒸馏放电特征萤光灯、雷射、核融合、溅射

入射幅度小清洁表面之维持电子放射、超格子薄膜形成

表2-2物理特性之真空技术与应用

现象应用电浆反应材料合成化学蒸镀（CVD）、光反应化学蒸镀（Photo CVD）、MOCVD、

溅射（Sputtering）、离子被覆（Ion Plat-ing）

薄膜合成电浆蚀刻（Plasma et chin），离子活性蚀刻蚀刻离子注入、照射、电浆照射表面层改变表2-3真空状态下特殊化现象的应用

表2-2中真空应用之项目，我们先略加描述如下:

1.造成压力差:

例如真空吸着、真空吸取、真空传送和真空成型等。

2.除去空气中活性成份

例如自炽灯、萤光灯、卤素灯、真空管等抽气，除去氧气及水气等以防损坏灯丝，真空冶炼，真空热处理，真空包装及保藏。

3.除去物质内之气体、水份或有机溶剂:

例如真空干燥、脱水及浓缩、除气、冷冻干燥、真空填塞

4.减少能源传递:

例如电绝缘、热绝缘、真空微量天平。

5.防止气体分子之碰撞:

电子、离子、分子在真空中运动，真空镀膜，真空分子蒸馏、真空电子束焊接。

6.保持清洁之表面:

对于表面之研究如摩擦、附着、表面性质等，在超高真空时，表面非常清洁，表面吸附一原子层之气体约需之时间较在低真空时长千万倍。

真空制程的主要目的，各种产业有所不同，有些应用同时利用几种不同的物理或化学特性，表2-4为各种产业与其真空制程的关系。

真空技术应用时，其所需求的压力高低，随真空制程之不同而异，由粗略真空到超高真空不等，图2-5简要的显示在三种不同的应用中真空压力之大小。

表2-4工业应用与真空制程的关系

图2-5不同的应用中需要不同的真空

压力不同，防局的设备与技术亦异。必须强调的是:压力愈低，则所需之设备与时间愈多愈长。因此应用时必须依按需求标准选定适当的真空设备与抽气程序，以常见的真空镀薄膜为例，如果单就气体制

工业

程区分

排气薄膜微细加工干燥分离、精制熔解、烧结电子工业

电子管、影像管IC、影像管、光元件、石英IC、震荡器光学工业

镜片镀膜液晶显示热处理汽车工业

汽车用品金属工业

脱气真空处理、烧结、熔接化学、医葯品

医药品真空干燥维他命、石油之真空蒸馏、脱气、脱臭食品工业

真空包装干燥蒸馏、浓缩理化仪器

表面分析、加速器其他核融合、加速器装饰品蒸镀混拟土脱水

分子平均自由径大小影响气体分子的运动因素来考虑，则压力小于1x10-4Torr时，其分子平均自由径即已够长，满足一般镀膜设备中蒸发原子到达基片前不被干扰的条件。但若想得到良好的薄膜晶质，则我们必须考虑残存气体的影响，亦即残存气体在新鲜薄膜上形成单层膜时，其速率与压力高低有直接关系。