EPILEDS 光鋐科技股份有限公司 Epileds Technologies, Inc. 製程設備簡介 講師 : 光鋐科技 蔡明吾 2013/11/08

Outline 真空系統簡介 真空定義 真空pump 真空計 管路系統 測漏

真空定義

真空的定義 義大利人托里切利(Torricelli)利用玻璃試管盛滿水銀倒置於水銀槽中,管中的水銀自然下降至76㎝(760㎜)高度,而在頂端留下一空間。這空間沒有空氣進入,則被認為是真空（vacuum）。 一般定義:一個容器內空間的壓力小於大氣壓力就是真空。也可以說若容器內氣體分子密度小於2.5*1019molecules/㎝3(一大氣壓力的分子密度),則該容器內為真空。簡單的表示:壓力<大氣壓力。 76cm 水銀 托里切利真空

馬德堡半球實驗 德國馬德堡市長證明真空的力量，將兩個半球密合其中抽真空，兩邊各用四匹馬並未能將其拉開。

絕對真空(absolute vacuum) --氣體壓力等於零的空間就是絕對真空。 --不存在任何包括氣體在內的物質，故絕對真空為一 個氣體壓力等於零的空間。

真空壓力 真空中氣體的壓力簡稱為真空壓力，或直接稱為壓力。 真空壓力為氣體對真空系統的內壁每單位面積上所施的壓力，其單位為：力∕單位面積　

Pascal (Pa 帕):國際真空壓力單位 mBar(毫巴):現行真空壓力單位 Torr or mmHg:習用真空壓力單位 Atmospheres (atm): Scale relative to our atmospheric pressure as 1 atm Pascal (Pa 帕):國際真空壓力單位 SI unit equal to N/m2 mBar(毫巴):現行真空壓力單位 Equal to 1x10-8 Pa. Torr or mmHg:習用真空壓力單位 Most commonly used pressure unit, based on mercury vacuum gauges.

標準大氣壓力(standard atmospheric) 溫度在20℃ 海平面高度，乾燥空氣所施的壓力，其值為1013毫巴　

標準大氣壓力成分

地球表面到外太空 大氣壓力與緯度之關係 大氣壓力隨著離地球表面愈遠而下降，然而其氣體總類的分配比例大致不變 在地球大氣層的最外層僅剩下氫氣與氦氣

真空等級 Atmospheric: 760 Torr Low Vacuum: 1 to 1x10-3 Torr Medium Vacuum: 1x10-3 to 1x10-5 Torr High Vacuum (HV): 1x10-6 to 1x10-8 Torr Ultra-High Vacuum (UHV): < 1x10-9 Torr

為何需要真空? 早期為探究真實『原子』的表面， 表面分析過程往往須在真空或超高 真空中進行的，主要科學儀器之表面分析設備都具有真空系統。 目前LED製程設備如PECVD、 蒸鍍機、濺鍍機、電漿蝕刻等皆需使用真空系統。

製程為何需要真空的環境? 產生一乾淨的環境 低分子密度 延長MFP 加速反應 產生一力量

什麼是真空技術？ 創造小於一大氣壓(<1 atm)的科學技術

真空系統之主要組成

Vacuum Pump

真空PUMP分類

排氣式PUMP 正排氣PUMP

往復式PUMP

活塞式 Pump

隔膜幫浦 Diaphragm Pump

迴轉式PUMP

水封式PUMP

油封式PUMP Work range : Atmosphere to 10-3 torr

乾式真空PUMP

魯氏幫浦 (Roots Blower)

魯氏幫浦 (Roots Blower) Work range : 10~10-3 torr

爪氏幫浦 (Claw pump)

爪氏幫浦 (Claw pump)

螺旋式幫浦 Screw Type Pump

螺旋式幫浦 Screw Type Pump

螺旋式幫浦 Screw Type Pump

多級幫浦 Multi-stage Pump

多級幫浦 Multi-stage Pump

多級幫浦 Multi-stage Pump

窩捲式幫浦

窩捲式幫浦

窩捲式幫浦

排氣式PUMP 動力式PUMP

機械式PUMP

渦輪幫浦 Turbo Molecular Pump Work range : 10-3~10-10 torr

渦輪幫浦 Turbo Molecular Pump

渦輪幫浦 Turbo Molecular Pump

分子拖曳PUMP

流體吸附式PUMP

噴射式PUMP Work range : Atmosphere to 60 torr

擴散幫浦 Diffusion Pump

擴散幫浦 Diffusion Pump 擴散幫浦Diffusion pump 壓力範圍： 10-3~10-9torr。抽氣速率：10~100,000 l/s 抽氣原理：利用高分子量高速運動之蒸氣分子，經由碰撞把動量 轉移給待抽氣體，賦予被抽氣體單一方面的動量，並將之排往較 高壓力之區域。

擴散幫浦 Diffusion Pump

吸附式PUMP

冷凍幫浦 Cry Pump

冷凍幫浦（Cryopump）特點：乾淨，無油氣污染。 壓力範圍： 10-3~10-10torr。抽氣速率：500~10,000 l/s 抽氣原理：利用氣體膨脹吸熱的原理，產生極低的溫度，以達到抽真空的效果。一般使用99.995﹪以上純度He，經壓縮機壓縮到300psi 的高壓，壓縮機產生的熱利用水或空氣來冷卻，高壓氦氣在膨脹室膨脹，產生降溫作用。

冷凍幫浦 Cry Pump

冷凍幫浦 Cry Pump

昇華幫浦

離子蒸發幫浦

離子濺鍍幫浦

真空計 (Vacuum Gauge)

波登壓力計 量測範圍 : atm~1 torr

熱傳導真空計 Thermal Conductivity Gauge 量測範圍:1 – 10-3 Torr

熱傳導真空計 Thermal Conductivity Gauge 量測範圍:1 – 10-3 Torr

電容式真空計 (Capacitance Manometer) 量測範圍:1 – 10-5 Torr

熱離子真空計 Ionization Gauge

熱離子真空計 Ionization Gauge anode

(Cold-cathode ionization gauge) 冷陰極離子真空計 (Cold-cathode ionization gauge) 10-2 Torr – 10-7 Torr

管路及管路系統

真空材料與管路閥件 真空材料與零件設計與選用主要決定於真空製程之特性與真空度需求。 欲使半導體製程之真空系統獲得最佳性能與成本，真空材料與零件的選用是非常重要的因素。 真空材料與管件選用要求 維持真空度 不污染製程 於環境與人體無害

特性需求 可加工性 在操作溫度與壓力下保持強度 熱性質 氣體負荷 反應 幅射 熱膨脹須與接鄰材料接近 (例如：超高真空系統flange須承受烘烤) 氣體負荷 材料須不透氣（不具孔隙或裂縫） 前處理後材料釋氣量要小（表面不易吸附） 反應 真空材料不與系統其他材料或製程物質反應 幅射 材料暴露在幅射線下（如neutrons, x-rays 或 高能粒子 ）不會放出氣體或劣化，例如：密封彈性體(elastomer)硬化、觀察窗變黑。

真空常用材料-金屬 奧斯田不銹鋼 中碳鋼 材料代號EN58A, EN58B(US321), EN58E(304) 最常用於氬焊腔體 釋氣率低 材料代號EN58F(347) 不適於拋光後焊接 中碳鋼 可用於真空度低至10-3 mbar 焊接塗佈後可用於更低壓 易銹蝕

真空常用材料-金屬 鋁與鋁合金 鎳合金：如Inconel, Kovar 材料便宜、質輕運送方便 耐腐蝕、 易加工與接合 高溫強度差、 低含鋅量接點易蝕 銅含量易導致焊接問題、 焊接後變形量大須後續加工 鎳合金：如Inconel, Kovar 高溫下高強度 極佳抗腐蝕性 不易取得、價格高、 加工困難

真空常用材料-金屬 鈦（Titanium） 銅（Copper） 黃銅（Brass）：Cu-15~20%Zn 真空中清潔度高、重量輕、延性佳 例：常用其捕氣性於ion pump cathodes和getter pump filaments. 銅（Copper） 含氧量低、氧氣流傳導性高 (OFHC) 容易加工、抗腐蝕 氫氣氛下硬焊不易 黃銅（Brass）：Cu-15~20%Zn 適用於特殊應用、材料等級多、抗腐蝕 100℃以上操作有鋅蒸氣的問題、小心鑄孔

真空常用材料-陶瓷與玻璃 陶瓷(Ceramics) 玻璃(Glass) 對於使用溫度可達1500℃的真空元件是最適合的材料 使用時需戴無綿質手套防止括痕與碰撞（脆性） 可以硬焊法與金屬接合獲得複合材料元件 加工不易 玻璃(Glass) 廣汎用於真空腔體、元件與管路 最常用玻璃為硼玻璃(borosilicate glass, 如 Pyrex) 可用於觀察窗(View port)、鉛玻璃可阻隔X光 抗腐蝕性佳

真空常用材料-塑膠 塑膠（Plastics） 與金屬相較，通常塑膠易吸氣、易透氣，使用需小心 PTFE Polycarbonate. 低釋氣率、電絕緣佳、使用溫度較高之塑膠、具自潤滑效果 Glass-filled PTFE：使強度提高、透氣量降低 Polycarbonate. 中釋氣率與吸水性、電絕緣佳 Nylon and Acrylic 高釋氣率與吸水性、具自潤滑效果 PVC 高釋氣率與吸水性、可撓性、 用於暫時性管路(如：測漏). Polyethylene 完全釋氣後才可用 Synthetic Resins 不建議使用

彈性體密封 Seals 橡膠(Nitrile Rubber) Viton PTFE 最常用密封環材料 接合容易（如：大型機台安裝） 適用於低壓、低釋氣率、耐熱 受壓過大後維持永久變形 需真空100℃烘烤1小時 去除成形添加劑 PTFE 耐壓差、不建議使用 可裝卸密封塑膠之釋氣率

金屬密封 Metal Seals 銅環(Copper Ring) 銦線(Indium Wire) 鋁線(Aluminum Wire) 使用刀口(knife edges)設計 (如：Conflat)、小心損壞刀口 可烘烤至450℃ 銦線(Indium Wire) 質軟、法藍鎖緊後連續變形、易於再擠壓成型 鋁線(Aluminum Wire) 容易製造、平面法藍密封、法藍須研磨至0.8 µm 金線(Gold Wire) 鈍性、可烘烤至450℃須施加較高法藍栓荷重與法藍平整度(0.4 µm). 首購價昂貴但消耗品可回收

管路與管路系統 管路系統為輸送製程材料， 所必備的零組件， 包含氣筒，各類閥件(Valve)，壓力調解器(Regulator)，管件(Tube)集連接管件與配件之(Fitting)。

管路 管件之種類 Tube-用於高壓，高潔淨度，低漏率之管路 Pipe-用於一般無毒，常壓態之管路 Hose-可用於真空抽氣管路(金屬)或化學藥液(非金屬) 管配件 Fitting Regulator Valve MFC

管件的選用 考慮因素 流道的要求 表面處理-潔淨度 施工方式-漏率 平滑性-避免雜質積存 抗蝕性-抗腐蝕氣、液體 低漏率-高真空 ，接合 材質(腐蝕性、強度、機械加工難易等因素) 表面處理-潔淨度 施工方式-漏率 流道的要求 潔淨性-微粒子逸出(outgas) 平滑性-避免雜質積存 抗蝕性-抗腐蝕氣、液體 低漏率-高真空 ，接合

管件的材質 金屬 非金屬 鋁、銅、鐵(碳鋼) 、不鏽鋼、合金 　工程塑膠材質，如PVC(聚氯乙烯) 、PP(聚丙烯) 、　　　PE(聚乙烯) 、PVDF(聚氟乙烯) 、PTFE(鐵氟龍）

管件施工 管路的連接方式 Swagelok-以管壁迫緊防漏接頭 VCO-以O-ring迫緊防漏接頭 VCR-以面墊圈迫緊防漏接頭 斜管牙-NPT斜管牙連接 Swagelok-以管壁迫緊防漏接頭 VCO-以O-ring迫緊防漏接頭 VCR-以面墊圈迫緊防漏接頭 焊接-以氬焊、電焊、氣焊連接

管件施工 Swagelok管件的連接 採用金屬套環，當受到螺帽及本體擠壓後，夾住Tube ，利用套環及Tube的變形達到密封的效果， 特別適合Heeavy wall或Hard tubing

管件施工 VCO管件的連接 利用O-ring作為接頭間的密封方便多次拆裝

管件施工 VCR管件的連接 利用Tube兩端的凸緣夾住金屬密封，利用其受擠壓的變形量達到密封的效果

閥Valves 全金屬直角閥 (all-metal right angle valve) 蝴蝶閥 (butterfly valve) 使用銅環密封、軸以簧管密封、可烘烤、手動應用：超高真空系統 蝴蝶閥 (butterfly valve) 使用O環密封、打開後氣導佳、 O環需潤滑 應用：擴散幫浦進氣控制、節流閥

閥Valves 薄膜閥(diaphragm valve) 直角閥(right angle valve) 以螺絲控制可撓膜密封 釋氣率較高 應用：粗抽至10-3 mbar 直角閥(right angle valve) 以螺絲控制O-ring密封 應用：粗抽、通氣、測漏閥

閥Valves 氣體管線切換或開關用(1/4” 316不鏽鋼管)

壓力調節閥Pressure Regulators

真空測漏

漏 任何封合之物、容器或系統在製造組合或使用時由於程序錯誤或系統元件老化，造成裂隙或小孔以至物質之流進或流出，並對其產生有害的效應。 真空中，漏可區分為： 　真漏：由真正孔隙所造成氣體的通路。 虛漏：由真空系統中侷限氣體之一出所造成。 逸氣：真空中物質釋放出其表面所吸附之氣體。

實漏與虛漏 Real & Virtual Leaks (b) 虛漏 (c) 合併

測漏-測漏液法 使用較稠性液體如肥皂水….等，塗抹於待測件上，觀察是否產生泡沫之方式，有現成品。 步驟： 　1.將待測系統以氮氣加壓約30~60psi。 2.將測漏液噴於預測之元件或接合處。 3.觀察有無氣泡產生，其氣泡之大小將依漏率而 定。 缺點： 1.初步之測漏。 2.污染管件，測漏液若不擦拭乾淨易導致管件生鏽。

測漏-保壓法 步驟： 1.於完成之系統管路前後均必須設立隔離閥及壓力計。 　1.於完成之系統管路前後均必須設立隔離閥及壓力計。 2.將系統通入氮氣加壓至預想之保壓壓力，一般30~60psi ， 之後關閉前後隔離閥， 並解除隔離系統外之壓力。 3.注視系統內壓力計並做記號。 4.保持狀況約1小時以上(時間長短視系統大小及需求漏率而定) 。 5.看壓力計是否有下降以測定有無洩漏。 缺點： 1.僅能供初步之測漏參考。 2.費時，常因溫差而不准。

蓋漏法 以膠帶或低壓黏土（如Apiezon Q）覆蓋可疑區域，若壓力下降表示為洩漏點 暫時止漏，但非永久之計

系統壓力上升法 將系統與PUMP的管路切斷觀察系統壓力上升的情形來判斷，若系統沒有任何的洩漏，則系統的壓力變化，經過長時間之後將會持穩不再持續增加，若是系統的壓力持續增加則代表有洩漏之處。

He測漏儀測漏法 負壓法 封閉待測管路系統，一端並與氦氣測漏機連接。 依氦氣測漏機使用方法操作，使待測管路系統抽氣成目標測試真空度。 自待測管路系統，由上而下對預測點噴氦氣於其上，並看測漏機之反應(指針指示或警報)。

He測漏儀測漏法 正壓法 將氦氣機之接口連接的一米長之不鏽鋼管，並適度封住其端口(可微漏供氦氣吸入)。 依使用方法啟動氦氣測漏機，並建立出約為可操作之真空(以末端封口適度調整之)。 將待測系統管路以氦氣加壓至30~60psi。 將不鏽鋼管之端口置於待測管件處偵測洩漏。

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