半導體機台為什麼要抽真空？

半導體機台要抽真空，是因為一般空氣裡的分子太多、太擠：要飛到晶圓上的原子和離子會半路被撞散，氧和水氣會讓表面氧化、混進膜裡，晶圓廠要的那種均勻的電漿也點不好。所以電漿蝕刻、大多數長膜和離子植入的機台，加工晶圓之前都要先把腔體裡的空氣抽掉，這叫「抽真空」。這裡的「真空」不是什麼都沒有，而是氣體少到某個程度；要多少，每種製程不一樣。

空氣裡的分子有多擠？

一般空氣裡，一顆分子平均飛不到一萬分之一公釐，就會撞上另一顆。這段距離叫「平均自由徑」，就像在擠滿人的車站裡，走不到半步就撞到人。

壓力降成十分之一，這段距離大約變成十倍。壓力降到大氣的一百萬分之一左右，分子平均能飛五公分；降到十億分之一左右，可以飛幾十公尺，像走在空曠的操場上。

抽真空是為了哪幾件事？

1. 讓原子、離子直直飛到晶圓上：濺鍍撞下來的金屬原子（見「薄膜製程是什麼？」）、植入機加速的離子（見「離子植入是什麼？」），路上撞到氣體分子就會偏掉、散掉。
2. 不讓氧和水氣混進來：剛清乾淨的表面，在一般空氣裡，如果撞上來的分子都黏住，十億分之幾秒就蓋滿一層；壓力降到大氣的十億分之一左右，才要大約一秒。混進來的氧和水氣，會讓金屬膜氧化、變差。
3. 讓電漿點得起來、又均勻：分子太擠，電子還沒加速就撞上下一顆，要很高的電壓才點得著，點著了也容易縮成一條條像小閃電的細絲。壓力低，才容易得到一整團均勻的電漿（見「電漿是什麼？」）。
4. 熱只走安排好的路：沒有空氣流來流去，晶圓的溫度主要看它貼著的加熱盤或冷卻座；也因為真空幾乎不傳熱，蝕刻時背面要通氦氣幫晶圓散熱（He 背壓）。

每一種製程要抽到多空？

製程	壓力大約是大氣的	分子平均能飛多遠
一般空氣	1	不到一萬分之一公釐
爐管的低壓長膜	幾千分之一到幾百分之一	零點零幾到零點幾公釐
電漿蝕刻	十萬分之一到一萬分之一，甚至更低	零點幾公釐到幾公釐
濺鍍（鍍金屬）	先抽到百億分之一左右，再通氬氣到百萬分之一到十萬分之一	鍍的時候，幾公釐到幾公分
離子植入（離子走的路）	十億分之一左右，或更低	幾十公尺以上

不是每台機台都要真空：塗佈顯影機、多數曝光機、濕式清洗槽、CMP 都在一般氣壓下做。極紫外光曝光機是例外，那種光連空氣都會吸掉，整條光路都要抽成真空（見「極紫外光（EUV）是什麼？」）。

真空是怎麼抽出來的？

沒有一台泵浦（也寫成幫浦）能從一般氣壓一路抽到很空，所以分兩段：

• 粗抽：乾式泵浦先把大部分的空氣抽走。「乾式」是抽氣的地方不用油，不會有油氣倒流弄髒晶圓。
• 高真空：剩下的稀薄氣體，交給腔體旁的高真空泵浦。渦輪分子泵的葉片每分鐘轉好幾萬圈，把分子往下「拍」出去，但只能推給後面的粗抽泵浦，不能直接排到大氣，所以兩台要串著用。冷凍泵浦用零下兩百五十度以下的表面把氣體凍住；凍滿了要回溫放掉、再降溫，叫再生。

晶圓怎麼進出真空？一步一步看

很多真空機台長得像一朵花：中間是一直保持真空的傳送腔，四周掛著幾個做製程的反應腔，正面是放晶圓盒的 Load port。

第 1 步：放進真空預備室，關門

• 做什麼：手臂把晶圓放進機台正面的小房間「真空預備室」（英文 load lock，也有人叫過渡腔），關上朝外的門。
• 為什麼：它像太空船的氣閘艙，兩道門不同時打開，裡面那一側就一直是真空。
• 不這樣會怎樣：晶圓直接進主腔體，每換一片，主腔體就得灌氣、再從頭抽一次。

第 2 步：把預備室抽成真空

• 做什麼：把預備室抽到跟傳送腔差不多的壓力，才打開裡面那道門。
• 為什麼：房間小，抽得快；只有它在一般氣壓和真空之間來回。
• 不這樣會怎樣：沒抽夠就開門，空氣和水氣跟著跑進去。抽太猛，氣流可能捲起微粒，水氣還可能一下子凝成小水珠，乾了留下微粒。

第 3 步：送進反應腔

• 做什麼：傳送腔裡的真空手臂把晶圓送進反應腔，關上中間那道窄門（狹縫閥）。
• 為什麼：主腔體一直待在真空裡，不用每片都破真空。
• 不這樣會怎樣：每破一次真空，內壁就沾上水氣，又要抽很久。

第 4 步：再抽低一點，通進製程氣體

• 做什麼：先抽到比製程還低的壓力，再照 Recipe 通進氣體，用閥門把壓力穩在設定值。
• 為什麼：先確定雜氣夠少，才只留下要用的氣體。
• 不這樣會怎樣：殘留的氧和水氣混進反應，膜和刻出來的形狀就跟設定不一樣。

第 5 步：抽乾淨、送出、回到一般氣壓

• 做什麼：做完先把腔體裡的氣體抽乾淨，晶圓回到預備室；預備室慢慢灌進乾燥的氮氣，回到一般氣壓，才打開外面的門。
• 為什麼：製程用的特殊氣體不少有毒、會腐蝕，不能帶出來；氮氣要乾燥、灌得慢，才不帶進水氣、不吹起微粒。
• 不這樣會怎樣：殘氣跑進傳送腔；灌一般空氣，水氣沾滿內壁，下一次就抽得慢。

漏氣了會怎樣？怎麼找？

腔體的接縫靠橡膠的 O-ring 或金屬墊片封住。哪裡沒封好，空氣就一直滲進來：壓力抽不下去；膜裡混進氧，金屬膜被氧化；漏進來的空氣還可能跟製程氣體反應成細粉，落在晶圓上就是微粒。

找漏常用兩招。一是升壓測試：把腔體關起來、不抽氣，看壓力怎麼升。一直線往上，多半是漏氣；越升越慢，多半只是內壁的水氣還在慢慢放出來。二是測漏：在接頭外面一處一處噴一點氦氣，看腔體上的偵測器，數字跳最多的那一處就是漏點。所以開腔修完，一定要抽真空、測漏，才能往下做（見「設備工程師在做什麼？」）。

泵浦和廢氣在哪裡？

粗抽的乾式泵浦、把廢氣燒掉或分解的尾氣處理，多半放在無塵室樓下的廠務層，排在那台機台下方附近。泵浦二十四小時都在轉，很多靠冷卻水帶走熱。用掉多少電，見「晶圓廠為什麼那麼耗電？」；誰在顧這一層，見「廠務工程師在做什麼？」。

在 fab24hr 裡

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到設備工程師，名字下面點「薄膜」，就是薄膜設備工程師（標著 Beta）。深夜班「慢慢掉的真空」，PVD-01 的壓力一整晚往上爬；升壓測試越升越慢，不像漏氣，是冷凍泵浦快凍滿了：現在就再生，還是先讓貨跑完？午班換靶材，要破真空、抽真空、做升壓測試。名字下面改點「植入」，晚班「端站的真空」也是冷凍泵浦快凍滿；點「蝕刻」，早班開腔換 ESC，要拿氦氣一個接頭一個接頭測漏。主線「晶片的一生」第 7 章「救火」，測機時要決定抽真空和烘烤多久。

想看晶圓怎麼進出真空，可以打開群集式機台，按「看它怎麼動」；樓下的泵浦和尾氣處理，在廠務層。

遊戲裡的公司、人物、機台編號和數字都是虛構的；真空的原理、泵浦和預備室怎麼運作，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。