晶圓制造中的真空計(jì)概念、分類(lèi)、應(yīng)用

真空計(jì)是用于探測(cè)真空系統(tǒng)中氣體壓力的儀器，它廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、光伏、科研實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，不同種類(lèi)的真空計(jì)用于測(cè)量不同的真空水平，以確保系統(tǒng)內(nèi)的氣體壓力保持在指定的范圍內(nèi)。理解真空計(jì)的工作原理和選擇適合的真空計(jì)對(duì)精確控制工藝至關(guān)重要，特別是在半導(dǎo)體制造中，許多關(guān)鍵工藝需要在特定的真空條件下進(jìn)行，如蝕刻、沉積等。

一、真空的概念與分類(lèi)

在進(jìn)入真空計(jì)的具體工作原理之前，我們首先需要理解什么是“真空”。真空是指低于大氣壓的氣體狀態(tài)，氣體分子的數(shù)量和能量都較低。根據(jù)真空度的不同，我們可以將真空分為四個(gè)主要的區(qū)間：

粗真空：壓力范圍為大約 (10^5) Pa 至 (10^2) Pa，這個(gè)范圍通常使用機(jī)械泵或旋片泵來(lái)維持。

中真空：壓力范圍為 (10^2) Pa 至 (10^{-1}) Pa，常用油擴(kuò)散泵或干式泵維持。

高真空：壓力范圍為 (10^{-1}) Pa 至 (10^{-7}) Pa，這時(shí)需要使用渦輪分子泵、低溫泵等設(shè)備。

超高真空：壓力低于 (10^{-7}) Pa，在此范圍內(nèi)，甚至微量氣體都會(huì)影響工藝，因此需要更加精確的真空控制。

二、真空計(jì)的分類(lèi)與工作原理

真空計(jì)根據(jù)其探測(cè)壓力的方式和測(cè)量范圍的不同，主要分為三大類(lèi)：絕對(duì)壓力的真空計(jì)、熱傳導(dǎo)式真空計(jì)和電離式真空計(jì)。每種類(lèi)型的真空計(jì)都有其獨(dú)特的應(yīng)用范圍、優(yōu)勢(shì)和局限性。

1. 絕對(duì)壓力真空計(jì)

絕對(duì)壓力真空計(jì)是一類(lèi)直接測(cè)量壓力的儀器，其特點(diǎn)是不受氣體種類(lèi)的影響。常見(jiàn)的有波登管式真空計(jì)和電容式真空計(jì)。

波登管式真空計(jì)

波登管式真空計(jì)通過(guò)內(nèi)部機(jī)械元件的形變來(lái)測(cè)量壓力。波登管是一種彎曲的金屬管，當(dāng)內(nèi)部氣壓變化時(shí)，波登管會(huì)發(fā)生形變，這種形變通過(guò)指針?lè)答仯@示壓力值。這種真空計(jì)通常用于測(cè)量粗真空，精度較低，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用。

電容式真空計(jì)

電容式真空計(jì)通過(guò)測(cè)量隔膜受壓力變化而引起的電容值變化來(lái)測(cè)定壓力。這種真空計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)氣體種類(lèi)不敏感，能夠測(cè)量多種氣體的總壓力。在半導(dǎo)體和光伏制造中，常常涉及多種不同的工藝氣體，因此電容式真空計(jì)因其對(duì)氣體類(lèi)型不敏感而廣泛應(yīng)用。其工作原理是壓力作用在隔膜上，導(dǎo)致隔膜與電極之間的距離變化，從而改變電容值。電容式真空計(jì)的測(cè)量精度高，適合從粗真空到中高真空的測(cè)量。

電容式真空計(jì)的局限性在于它的測(cè)量范圍有限，通常通過(guò)多個(gè)量程的設(shè)備組合使用，每四個(gè)數(shù)量級(jí)為一個(gè)檔次。例如，一個(gè)電容式真空計(jì)可能只能在 (10^2) Pa 到 (10^{-1}) Pa 的范圍內(nèi)精確工作，超出這個(gè)范圍則需要更換不同量程的傳感器。

2. 熱傳導(dǎo)式真空計(jì)

熱傳導(dǎo)式真空計(jì)基于氣體的熱導(dǎo)率隨壓力變化的原理工作。氣體的熱導(dǎo)率在高壓和低壓下表現(xiàn)不同，因此可以通過(guò)測(cè)量氣體從加熱元件傳導(dǎo)出的熱量來(lái)推算壓力。常見(jiàn)的熱傳導(dǎo)式真空計(jì)有皮拉尼真空計(jì)。

皮拉尼真空計(jì)

皮拉尼真空計(jì)使用電阻絲加熱，通過(guò)測(cè)量電阻絲溫度的變化來(lái)推算氣體壓力。原理是：在真空中，氣體分子稀少，熱量的傳導(dǎo)效率較低，電阻絲保持較高的溫度；而在氣體分子密集的環(huán)境中，熱量很容易傳導(dǎo)出去，電阻絲溫度會(huì)相應(yīng)降低。因此，電阻絲的溫度變化（通常通過(guò)電阻變化檢測(cè)）反映了氣體壓力的變化。

皮拉尼真空計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以測(cè)量從粗真空到中真空范圍的壓力，最低可達(dá)到 (10^{-5}) Pa 數(shù)量級(jí)。它的缺點(diǎn)是其測(cè)量結(jié)果會(huì)受氣體種類(lèi)的影響，不同氣體的熱導(dǎo)率不同，因此它不能直接測(cè)量全壓力，只能測(cè)定特定氣體的分壓力。如果用于混合氣體環(huán)境，通常需要校正系數(shù)。

3. 電離式真空計(jì)

電離式真空計(jì)通過(guò)使氣體電離來(lái)測(cè)量真空度。電離真空計(jì)的工作原理是利用高能電子撞擊氣體分子，產(chǎn)生離子，然后測(cè)量離子的數(shù)量來(lái)推算氣體壓力。常見(jiàn)的電離式真空計(jì)有冷陰極真空計(jì)和熱陰極真空計(jì)。

冷陰極真空計(jì)

冷陰極真空計(jì)依靠在高電壓下的電子轟擊使氣體電離，離子在電場(chǎng)中加速并收集，從而測(cè)量壓力。這種真空計(jì)不需要加熱陰極，因此可以在較高的真空度下工作，通常用于測(cè)量高真空和超高真空，測(cè)量下限可達(dá)到 (10^{-9}) Pa。

冷陰極真空計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，適合長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量超高真空，但它的啟動(dòng)條件苛刻，通常需要在較低真空條件下（如 (10^{-2}) Pa 以下）才能啟動(dòng)測(cè)量。

熱陰極真空計(jì)

熱陰極真空計(jì)則通過(guò)加熱陰極產(chǎn)生電子，電子通過(guò)碰撞氣體分子使其電離，隨后通過(guò)檢測(cè)這些離子來(lái)計(jì)算氣體壓力。這類(lèi)真空計(jì)測(cè)量范圍非常廣泛，可以從中真空一直測(cè)量到超高真空，最低可達(dá)到 (10^{-12}) Pa 數(shù)量級(jí)。

由于熱陰極真空計(jì)的加熱元件在使用過(guò)程中會(huì)逐漸老化，因此其壽命相對(duì)較短，而且需要定期維護(hù)。此外，熱陰極真空計(jì)對(duì)氣體種類(lèi)也較為敏感，尤其是反應(yīng)性氣體會(huì)對(duì)熱陰極產(chǎn)生損傷。

三、真空計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景分析

在實(shí)際應(yīng)用中，不同類(lèi)型的真空計(jì)通常結(jié)合使用，以覆蓋不同的壓力范圍。例如，在半導(dǎo)體制造中，工藝需要從粗真空逐步降低到高真空甚至超高真空。在這種情況下，可以采用以下的組合：

粗真空和中真空：可以使用機(jī)械泵配合波登管式真空計(jì)或皮拉尼真空計(jì)來(lái)測(cè)量和控制壓力。

高真空：在壓力進(jìn)一步降低到 (10^{-5}) Pa 以上時(shí)，使用皮拉尼真空計(jì)或者電容式真空計(jì)作為監(jiān)測(cè)工具。

超高真空：對(duì)于超高真空環(huán)境，冷陰極真空計(jì)或熱陰極真空計(jì)是最常用的工具。

此外，電離式真空計(jì)常用于需要極高真空度的工藝中，如半導(dǎo)體制造中的離子注入工藝和電子束光刻工藝。

四、真空計(jì)測(cè)量中的誤差與校準(zhǔn)

真空計(jì)在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可能受到多種因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量誤差。這些因素包括：

氣體種類(lèi)：特別是熱傳導(dǎo)式和電離式真空計(jì)，測(cè)量值會(huì)隨氣體的種類(lèi)變化，通常需要對(duì)不同氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。

污染和老化：真空計(jì)的探頭在長(zhǎng)期使用中可能會(huì)受到污染或老化，尤其是電離式真空計(jì)中的熱陰極，需要定期維護(hù)。

環(huán)境溫度：真空計(jì)的性能會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，尤其是皮拉尼真空計(jì)，其電阻元件對(duì)溫度變化敏感，可能需要在恒溫環(huán)境下進(jìn)行精確測(cè)量。

為了確保真空計(jì)的精度，定期校準(zhǔn)是必要的。校準(zhǔn)通常通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)對(duì)比的方法進(jìn)行，確保真空計(jì)的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備一致。

五、總結(jié)

真空計(jì)是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的測(cè)量工具，特別是在半導(dǎo)體制造、科研和光伏產(chǎn)業(yè)中，精確的真空測(cè)量和控制至關(guān)重要。不同類(lèi)型的真空計(jì)有其各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，了解這些儀器的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景有助于選擇合適的設(shè)備，確保工藝的成功。

絕對(duì)壓力的真空計(jì)適用于測(cè)量多種氣體的總壓力，熱傳導(dǎo)式真空計(jì)則適用于測(cè)量特定氣體的分壓，而電離式真空計(jì)則在高真空和超高真空的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的真空計(jì)組合，能夠有效提高工藝的精度和效率。

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作者：胡工，北京大學(xué)微電子本碩，北京大學(xué)半導(dǎo)體校友會(huì)成員，在半導(dǎo)體行業(yè)工作多年，常駐深圳。歡迎交流，備注姓名+公司+崗位。