在芯片制造这条以纳米为刻度的产业链上，一种看不见却无处不在的力量正在发挥作用——氦气。它让腔体更快“呼吸”干净空气、让前驱体输运更稳、更均匀，也让晶圆在高能工艺中保持“冷静”。从吹扫到载气，再到背面冷却的热管理，氦气用更轻的分子量与更高的热导率，为良率与一致性提供坚实底座。本文将以工程视角拆解典型场景与参数要点，并分享在供应波动与成本压力下的实操优化方案。

1) 吹扫：快速置换、降低残留与颗粒

典型场景

• 真空腔室/传输腔：启停机、换片、维护后恢复时，用 He 提高清洗与抽气效率。

• 炉管/扩散、退火段：升降温与气氛切换（如 O₂→惰性）间的惰性吹扫。

• FOUP/Loadlock：减少水汽与空气残留，缩短抽空时间，降低颗粒与金属污染风险。

为什么用氦

• 扩散系数高、黏度低 → 更快的置换与边界层刷新，比 N₂ 更“灵活”；

• 化学惰性 → 不引入反应副产物；

• 质谱检漏兼容 → 同一气源体系便于维护与检漏。

经验参数（仅作工程参考）

• 流量：腔体体积与目标换气次数有关；单腔数 SLPM 到数十 SLPM常见（小腔更低）。

• 吹扫时间：目标是**≤数十秒级**完成关键区残留降低。

• 纯度：5N（99.999%）及以上，H₂O/O₂ 典型 ≤1 ppm，更严格工艺走 6N（H₂O/O₂/THC 至 ppb 级）。

优化与降本

• 分段/脉冲吹扫：配合阀门节拍与抽气曲线降低总用量。

• 混合方案：粗置换用 N₂，末端/关键段用 He 精吹。

• 在线监测：O₂/H₂O 监控触发“按需吹扫”，避免过度。

2) 载气：传质均匀、提高薄膜一致性

典型场景

• CVD/ALD（如 SiN、SiC、SiO₂、金属前驱体）：He 作主/伴随载气与稀释气，稳定前驱体输运与均匀性；

• MOCVD（化合物半导体）：与 H₂/N₂按配方选择；He 常用于抑制副反应、改善边界层。

• 离子注入/刻蚀/清洗：作为稀释或缓冲气体，帮助稳定等离子体或传输。

为什么用氦

• 热导率高、惯性小 → 前驱体“起降”更灵敏，薄膜厚度/组分更易控；

• 非反应性 → 降低副反应、颗粒与残碳风险。

经验参数（参考）

• 主载气：数 SLM 级（按腔室与批量），微流 ALD 到 几百 sccm。

• 纯度：5N/6N，对金属有机前驱体与逻辑/存储关键层建议 6N。

优化与替代

• 与 H₂/N₂/Ar 的组合配方：

• 惰性与成本优先 → N₂；

• 表面化学促进/还原性 → H₂（注意安全）；

• 等离子体稳定性/重质惰性 → Ar。

• 前驱体雾化与管路保温：降低对超高 He 流量的依赖。

• 质量流量控制（MFC）校准：保持 sccm–SLM 跨域精度，避免“过量以求稳”。

3) 热管理：背面冷却与温控响应

典型场景

• 等离子刻蚀（ESC 静电卡盘）背面冷却：He 充入晶圆背面微间隙，提高导热、稳定晶圆温度与各向异性刻蚀。

• RTP/激光退火/离子注入后退火：He 作为保护与传热介质，帮助快速升降温。

• 计量/检验：部分量测腔体用 He 改善对流与温稳。

为什么用氦

• 气体热导率第一梯队（远高于 N₂/Ar），在薄隙中依然能显著导热。

• 低分子量 → 快速建立与调整背压，温控响应灵敏。

经验参数（参考）

• ESC 背压：5–20 Torr 常见（分区控制，中心/边缘可不同），流量 几十到数百 sccm。

• 腔体保护：数 SLPM 级别，视工艺热负荷与抽速而定。

• 纯度：5N/6N（水汽对刻蚀侧壁与薄膜缺陷影响大，建议走更高等级）。

优化与良率

• 背压分区与实时 PID：边缘/中心温差抑制到 ±1–2 °C 级。

• ESC 表面粗糙度与 He 密封圈：漏率低、温度均匀性好。

• 与腔体壁温/射频功率联动：避免热漂移造成 CD/侧壁角波动。

质量与供应：从“可用”到“可控”

纯度与杂质规范（建议内控）

• 等级：5N/6N；关键层/薄膜一致性敏感 → 6N。

• 关键指标：H₂O、O₂、THC、CO/CO₂、N₂/Ar（ppb–ppm 级限值），并关注颗粒/油雾。

• 分析配置：在线 H₂O/O₂、总烃（FID）、周期性第三方全组分。关键点位设取样阀与旁路。

系统与安全

• 供气形态：大宗气化+汇流排、管束/钢瓶备用；关键段双路冗余 + 自动切换。

• 管材与阀门：不锈钢（EP 级内表面）、VCR 管接，避免橡胶软管渗透。

• 安全：缺氧防护、排风、报警与检漏（见下）。

检漏（He 质谱）

• He 作示踪：灵敏度高、背景低；

• 工艺腔与供气管路定期 真空与正压双模式检漏；

• 建议建检漏合格数据库：把“最大允许漏率”与“温控均匀性/良率”做相关性跟踪。

经济性与可持续：用好每一升氦

降本增效策略

1. 分级用气：粗吹扫/非关键位以 N₂ 为主，He 用在最后一跳或温控关键点。

2. 按需触发：以 O₂/H₂O 实时值代替固定时长吹扫。

3. 回收与循环：刻蚀/背面冷却排放 He 经干燥净化后回用（结合流程评估杂质谱）。

4. 参数“瘦身”：推动工艺侧以 温度均匀性/薄膜 3σ 为目标调低 He 背压与流量，而非固定保守值。

5. 供应多元化：建立多来源与安全库存策略，应对周期性“氦荒”与价格波动。

典型对比：氦 vs. 其他气体（速览）

落地清单

• 规格选型

• Purge/Carrier：≥5N（关键层 6N）；

• Backside Cooling：建议 6N。

• 初始设定

• Loadlock 终端吹扫：以 O₂<10–50 ppm、H₂O<50–100 ppm 作为停止阈值；

• ESC 背压：10 Torr 起步，分区微调看温度均匀性曲线；

• CVD/ALD 载气：以薄膜厚度均匀性/缺陷密度为指标做 DOE，逐步替代掉“经验富余量”。

• 监控

• 在线 H₂O/O₂、总烃；关键腔体加点位取样口；

• 背面冷却：背压/漏率联动报警，晶圆装夹稳定性周报；

• 用量与良率关联：每月评审“每片 He 用量 vs. 关键 CTQ”。

• 维护

• 季度质谱检漏；

• MFC 年度校准；

• 过滤器/干燥器寿命管理。