德魯克TERPS助力半導(dǎo)體行業(yè)真空壓力測量

德魯克Druck推出的 TERPS（Trench Etched Resonant Pressure Sensor）技術(shù)基于單晶硅諧振原理，通過 MEMS工藝將諧振式壓力傳感器的小型化、批量化與高精度結(jié)合起來，為行業(yè)提供一種新思路：同一個(gè)傳感器核心結(jié)構(gòu)，即可覆蓋真空到大氣壓的超寬量程，并在精度與長期穩(wěn)定性上取得顯著突破。

TERPS技術(shù)具備極佳的性能：精度可達(dá)±0.01%FS，長期穩(wěn)定性可達(dá)<±0.01%FS/年，溫度敏感度也可通過多點(diǎn)補(bǔ)償顯著降低，且量程極寬。對于真空應(yīng)用來說，TERPS可覆蓋真空應(yīng)用中常見的中真空至大氣壓量程段。

TERPS結(jié)構(gòu)

01、真空測量的復(fù)雜性

真空測量特別是半導(dǎo)體行業(yè)中的真空測量應(yīng)用往往存在下述3點(diǎn)復(fù)雜性：

寬量程連續(xù)覆蓋：從粗抽階段（10^2–10^4?Pa）到工藝穩(wěn)壓階段（1–100?Pa），甚至到正壓通氣階段，傳統(tǒng)需多只真空計(jì)分段搭配，系統(tǒng)復(fù)雜。

溫度/工藝影響大：等離子體、CVD沉積副產(chǎn)物、腔體熱流影響傳感器漂移和零點(diǎn)穩(wěn)定性，增加維護(hù)頻率。

精度與控制耦合緊密：壓力測量的穩(wěn)定性直接影響刻蝕深度、沉積速率等關(guān)鍵參數(shù)，尤其在低壓下，誤差易被放大。

02、TERPS真空應(yīng)用特性

針對上述真空測量的多種復(fù)雜特性，TERPS可連續(xù)覆蓋常見的10Pa至常壓的真空段量程，且具備如下特性：

- 低遲滯、高線性度

- 良好的重復(fù)性和年漂移量，重復(fù)性誤差可達(dá)±0.1Pa

- 精度優(yōu)于±0.01%FS

- 數(shù)字或頻率輸出，易于集成

10Pa至常壓的連續(xù)量程

在該量程區(qū)間內(nèi)，以TERPS為代表的硅諧振式傳感器在測量精度、溫度依賴性、長期穩(wěn)定度等方面顯著優(yōu)于皮拉尼規(guī)真空計(jì)或電容式薄膜真空計(jì)等解決方案。一支TERPS傳感器即可覆蓋10Pa至大氣壓段的測量和監(jiān)測，這將顯著降低用戶的使用成本。

低遲滯與高線性度

單晶硅諧振梁在0至100kPa區(qū)間內(nèi)的遲滯完全可以忽略，相較于金屬箔應(yīng)變或電容式膜片在極低壓區(qū)間更穩(wěn)定可靠。與高精度分段或樣條補(bǔ)償結(jié)合，可將非線性誤差控制在極小范圍。

良好的重復(fù)性與年漂移量

在真空工藝中，測量精度要求不僅是某一時(shí)刻的絕對數(shù)值，還包括長期重復(fù)測量的一致性。TERPS 以硅諧振式原理為核心，零點(diǎn)漂移通常小于 0.01%FS/年，在低量程時(shí)可通過周期性歸零或抽空再次校正的方法讓漂移進(jìn)一步減小。如下圖所示，TERPS的4年漂移量小于20ppm。

數(shù)字或頻率輸出，易于集成

相較于多數(shù)真空規(guī)采用模擬電壓或熱導(dǎo)測量，TERPS 可選擇頻率或數(shù)字信號輸出，易于工業(yè)現(xiàn)場總線或自動(dòng)化集成，無需繁瑣的放大/AD 轉(zhuǎn)換電路，也避免對真空工藝內(nèi)高頻電磁場的敏感。

03、半導(dǎo)體行業(yè)真空測量應(yīng)用

刻蝕：在刻蝕機(jī)內(nèi)需完成使用等離子體或化學(xué)氣體對晶圓表面的定向去除。工作壓力影響刻蝕選擇性、刻蝕速率與均勻性，且通常在1Pa～數(shù)百Pa之間。若壓力過高，則可能導(dǎo)致蝕刻副產(chǎn)物累積、刻蝕速度不穩(wěn)定；壓力過低則導(dǎo)致放電不穩(wěn)定、蝕刻速率變慢。該應(yīng)用中TERPS可對腔體內(nèi)的氣壓進(jìn)行精細(xì)控制并實(shí)時(shí)反饋。

化學(xué)/物理氣相沉積：化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)中，工作壓力保證氣體反應(yīng)效率與膜層生長質(zhì)量，且通常在10Pa～數(shù)百Pa之間。使用 TERPS 實(shí)時(shí)監(jiān)測并保持穩(wěn)定氣壓，可以減少薄膜厚度不均、氣相沉積不充分或反應(yīng)過度等問題。

離子注入：注入機(jī)中，離子源腔和加速區(qū)通常維持在不同真空水平，若壓力過高，會(huì)產(chǎn)生離子束散射；若過低，離子源則難以維持足夠的離子流。

擴(kuò)散/退火爐：在高溫下進(jìn)行擴(kuò)散或退火處理時(shí)，常抽空爐管至數(shù)百Pa乃至更低，并通入氫氣、氮?dú)獾忍胤N氣體保持低氧濃度。對爐管內(nèi)壓力穩(wěn)定度要求較高，壓差波動(dòng)可造成擴(kuò)散深度不均或成膜缺陷。

封裝測試：一些后道封裝也需要真空環(huán)境，比如真空共晶焊接、真空保護(hù)封裝等。這些步驟中的壓力監(jiān)測同樣需要穩(wěn)定且高分辨率。

腔體壓力閉環(huán)控制：半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)普遍采用PID控制調(diào)節(jié)真空泵速度或進(jìn)氣閥門開度。由于 TERPS 輸出是數(shù)字頻率，具有低噪聲、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)，能使控制器更快、更準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)節(jié)。在等離子刻蝕中，這一點(diǎn)尤其關(guān)鍵——刻蝕速率與腔體壓強(qiáng)成正相關(guān)或逆相關(guān)，需要快速且準(zhǔn)確的反饋信號來調(diào)節(jié)閥門與射頻功率。

晶圓級工藝質(zhì)量監(jiān)控：在蝕刻機(jī)內(nèi)，通過記錄 TERPS 的實(shí)時(shí)壓力曲線，可對工藝穩(wěn)定性進(jìn)行在線診斷，偵測腔室內(nèi)部的微漏、抽氣系統(tǒng)故障等。例如如果某段制程要求 50?Pa 而測量值出現(xiàn)無法穩(wěn)定的隨機(jī)波動(dòng)，說明真空泵或氣體流量存在異常。若長期偏差過大，也可提示進(jìn)行清洗或檢漏操作，從而降低停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

多模塊/跨工藝段通用化：諸多半導(dǎo)體FAB廠或先進(jìn)封裝線配有多臺(tái)不同類型設(shè)備，如蝕刻機(jī)、CVD、PVD、清洗機(jī)等。使用同一種 TERPS 核心模塊可滿足范圍1Pa～100kPa的需求。對廠商而言，既可降低備件庫存，也簡化工程師在使用與維護(hù)過程中的學(xué)習(xí)成本。對于高端設(shè)備制造商（OEM），將 TERPS 集成到各類機(jī)臺(tái)中成為統(tǒng)一的壓力測量標(biāo)準(zhǔn)，可提升自有機(jī)臺(tái)的一致性和競爭力。

真空故障預(yù)判與“零點(diǎn)”快速校驗(yàn)：半導(dǎo)體工廠中的腔體維護(hù)頻率較高，如干式清洗、濕式清洗后可順便讓腔體抽至極限真空，利用 TERPS 的自動(dòng)歸零功能糾正長期漂移。如果在抽空時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器零點(diǎn)與前一次差別甚大，則提示機(jī)臺(tái)可能存在漏氣或傳感器異常。這種預(yù)判式監(jiān)控可在生產(chǎn)損失前及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。